Comme des flocons de neige, Les nanoparticules se présentent sous une grande variété de formes et de tailles. La géométrie d'une nanoparticule est souvent aussi influente que sa composition chimique pour déterminer son comportement, de ses propriétés catalytiques à son potentiel en tant que composant semi-conducteur.

Grâce à une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs sont plus près de comprendre le processus par lequel des nanoparticules constituées de plusieurs matériaux – appelées nanoparticules hétérostructurées – se forment. Ce processus, connue sous le nom de nucléation hétérogène, est le même mécanisme par lequel des perles de condensation se forment sur une vitre.

Les nanoparticules hétérostructurées peuvent être utilisées comme catalyseurs et dans des systèmes avancés de conversion et de stockage d'énergie. Typiquement, ces nanoparticules sont créées à partir de minuscules "graines" d'un seul matériau, au-dessus duquel un autre matériau est cultivé. Dans cette étude, les chercheurs d'Argonne ont remarqué que les différences dans les arrangements atomiques des deux matériaux ont un impact important sur la forme de la nanoparticule résultante.

« Avant de commencer cette expérience, ce qui se passe à l'interface n'était pas tout à fait clair lorsqu'un matériau se développe sur un autre, " a déclaré la nanoscientifique Elena Shevchenko du Centre d'Argonne pour les matériaux à l'échelle nanométrique, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Dans cette étude, les chercheurs ont observé la formation d'une nanoparticule constituée de platine et d'or. Les chercheurs ont commencé avec une graine de platine et ont fait pousser de l'or autour d'elle. Initialement, l'or recouvrait uniformément la surface de la graine de platine, créant un type de nanoparticule connu sous le nom de « coeur-coque ». Cependant, comme plus d'or a été déposé, il a commencé à croître de manière inégale, créant une structure en forme d'haltère.

Grâce à l'analyse par rayons X de pointe fournie par l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, les chercheurs ont identifié la cause de la formation d'haltères comme "un décalage de réseau, " dans lequel l'espacement entre les atomes dans les deux matériaux ne s'aligne pas.

"Essentiellement, vous pouvez considérer l'inadéquation du réseau comme une rangée de petites cases sur la couche inférieure et de plus grandes cases sur la couche supérieure. Lorsque vous essayez d'insérer les plus grandes boîtes dans l'espace d'une plus petite boîte, cela crée une tension immense, " a déclaré le physicien d'Argonne Byeongdu Lee.

Alors que le décalage de réseau n'est que de quelques fractions de nanomètre, l'effet s'accumule au fur et à mesure que couche après couche d'or se forme sur le platine. Le décalage peut être géré par les deux premières couches d'atomes d'or - créant l'effet noyau-enveloppe - mais par la suite, il s'avère trop difficile à surmonter. "L'arrangement des atomes est le même dans les deux matériaux, mais la distance entre les atomes est différente, " a déclaré Soon Gu Kwon, chercheur postdoctoral à Argonne. " Finalement, cela devient instable, et la croissance de l'or devient inégalement répartie."

Alors que l'or continue de s'accumuler d'un côté de la nanoparticule de graine, de petites quantités "glissent" sur le côté de la nanoparticule comme des grains de sable roulant sur le flanc d'une colline de sable, créer la forme de l'haltère.

L'avantage de l'étude Argonne vient de la capacité des chercheurs à effectuer des observations in situ du matériau dans des conditions réalistes à l'aide de l'APS. "C'est la première fois que quelqu'un a pu étudier la cinétique de ce processus de nucléation hétérogène de nanoparticules en temps réel dans des conditions réalistes, " a déclaré le physicien d'Argonne Byeongdu Lee. " La combinaison de deux techniques de rayons X nous a permis d'observer le matériau à la fois au niveau atomique et à l'échelle nanométrique, ce qui nous a donné une bonne idée de la façon dont les nanoparticules se forment et se transforment. » Toutes les conclusions tirées sur la base des études aux rayons X ont été confirmées par la microscopie à résolution atomique dans le groupe du professeur Robert Klie de l'Université de l'Illinois à Chicago.

Cette analyse de la formation des nanoparticules permettra de jeter les bases de la formation de nouveaux matériaux aux propriétés différentes et contrôlables, selon Chevtchenko. « Pour concevoir des matériaux, vous devez comprendre comment ces processus se déroulent à un niveau très basique, " elle a dit.

La recherche a été financée en partie par la National Science Foundation et l'Université de l'Illinois au Chicago Research Resources Center.

Un article basé sur la recherche, « Nucléation hétérogène et transformation de forme de nanostructures métalliques multi-composants, " est paru dans le numéro en ligne du 2 novembre de Matériaux naturels .