Image au microscope électronique à transmission de nano-colliers en titanate de baryum (BaTiO3). Crédit :Zhiqun Lin
Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour fabriquer des colliers à l'échelle nanométrique basés sur de minuscules structures en forme d'étoile enfilées sur une épine dorsale polymère. La technique pourrait fournir une nouvelle façon de produire des structures de shish kebab hybrides organiques-inorganiques à partir de semi-conducteurs, magnétique, matériaux ferroélectriques et autres qui peuvent offrir des propriétés nanométriques utiles.
Les chercheurs ont jusqu'à présent fabriqué des nano-colliers avec jusqu'à 55 nanodisques. Le processus basé sur un modèle fait croître des copolymères diblocs amphiphiles ressemblant à des vers grâce à une technique de polymérisation vivante dans laquelle les structures polymères servent de nanoréacteurs qui forment des structures nanocristallines à connexion latérale basées sur une variété de matériaux précurseurs. Les nanodisques ont en moyenne une dizaine de nanomètres de diamètre et quatre nanomètres d'épaisseur, et sont distants d'environ deux nanomètres.
"Notre objectif était de développer un pourtant robuste, stratégie de fabrication d'une grande variété de shish kebabs hybrides organiques-inorganiques, " dit Zhiqun Lin, professeur à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "C'est une technique générale pour fabriquer ces structures inhabituelles. Maintenant que nous l'avons démontré, nous pensons qu'il existe une liste presque infinie de matériaux que nous pouvons utiliser pour fabriquer ces nano-colliers."
La recherche a été soutenue par l'Air Force Office of Scientific Research et la National Science Foundation. Les résultats devaient être publiés le 27 mars dans la revue Avancées scientifiques .
Les nano-colliers unidimensionnels pourraient avoir des optiques, électronique, optoélectronique, applications de détection et magnétiques. Les chercheurs ont jusqu'à présent produit des structures à partir de séléniure de cadmium (CdSe), titanate de baryum (BaTiO3) et oxyde de fer (Fe3O4), mais croyez que de nombreux autres matériaux - y compris l'or - pourraient également être utilisés.
La technique commence par la formation de complexes d'inclusion constitués d'alpha-cyclodextrines, oligosaccharides cycliques composés de six unités de glucose. Les alpha-cyclodextrines, qui sont creux au centre, s'enfilent sur une chaîne de polyéthylène glycol (PEG) dans un processus d'auto-assemblage établi. Le squelette polymère sur lequel les alpha-cyclodextrines sont enfilées est coiffé d'un agent de bouchage plus gros pour retenir les minuscules structures.
Synthèse de nanohybrides organiques-inorganiques de type shish kebab composés de kebabs périodiques de type nanodisque. Crédit :Zhiqun Lin
Chaque alpha-cyclodextrine possède 18 groupes hydroxyle (OH) qui peuvent être convertis en groupes brome (Br) par un processus d'estérification. Des structures de polymère dibloc "nanoworm" sont ensuite développées à partir de ces groupes brome en solution. Formé de poly(acide acrylique)-bloc polystyrène (PAA-b-PS), les copolymères diblocs vermiformes sont constitués de blocs internes de poly(acide acrylique) (PAA) hydrophiles, et des blocs extérieurs de polystyrène (PS) qui sont hydrophobes. Parce que tant de diblocs se développent sur chaque alpha-cyclodextrine, leur encombrement étire le squelette polymère.
Finalement, les précurseurs d'ions métalliques sont préférentiellement incorporés dans l'espace occupé par les blocs PAA internes des nanoréacteurs de copolymère dibloc en forme de ver, formant des cristaux. Ces cristaux relient les structures autrefois séparées, créant les nano-colliers - qui ressemblent à de minuscules mille-pattes.
« Nous avons été surpris de voir ces nano-kebabs se développer en une seule structure inorganique en utilisant les copolymères diblocs en forme de ver comme nanoréacteurs, " a déclaré Lin. "Sous l'imagerie au microscope électronique à transmission, vous voyez des structures de kebab de type nanodisque situées périodiquement sur le shish polymère étiré. "
Les images au microscope électronique à transmission montrent clairement les brochettes de type nanodisque car elles sont constituées de matériaux à haute densité électronique. Cependant, le shish PEG de connexion n'apparaît pas car il s'agit d'une seule chaîne et sa densité électronique est bien inférieure.
La formation des structures était initialement surprenante pour le groupe de recherche de Lin, qui devait produire des structures ressemblant à des nanotiges ou des nanofils. Mais les simulations effectuées par le membre de l'équipe Yuci Xu à l'Université de Ningbo en Chine ont confirmé la formation des structures qu'ils observaient expérimentalement. Les simulations ont également permis de prédire les dimensions structurelles qui seraient produites.
« Sur la base de la simulation, nous pourrions comprendre le mécanisme de croissance de cette structure de type nano-collier, " a déclaré Lin. "Cet arrangement de nano-collier est très bien capturé par la simulation. La simulation et les expériences s'accordent bien, ce qui a accru notre confiance dans notre compréhension des structures."
Formation de shish-kebabs organiques-inorganiques en capitalisant sur le copolymère dibloc PAA-b-PS vermiforme en tant que nanoréacteur. Crédit :Zhiqun Lin
Avec leur technique de croissance démontrée, les chercheurs veulent maintenant caractériser les minuscules structures et établir des applications potentielles. Bien que ceux-ci n'aient pas encore été étudiés, Lin croit que les structures, qui sont à base de matériaux semi-conducteurs, pourrait, par exemple, avoir des applications électroniques, avec des électrons passant par tunnel à travers des nanodisques adjacents.
"L'importance de cette approche est qu'il n'y a aucune limitation sur les matériaux que vous pouvez fabriquer, et aucune limitation sur la taille et la forme des structures que vous pouvez concevoir, " Il a dit. " Il y a beaucoup de caractéristiques potentiellement avantageuses qui peuvent être dérivées de cette approche de nanoréacteur. "
D'autres techniques existent pour former des structures de nano-colliers, mais aucun n'utilise une approche similaire de modèle et de nanoréacteur, dit Lin.
Dans les travaux futurs, Le groupe de Lin prévoit d'examiner les propriétés des structures qu'ils ont construites, tester d'autres matériaux potentiels, et examiner les demandes qui pourraient être appropriées. Alors que les propriétés des nanodisques individuels ont déjà été étudiées, leurs interactions collectives peuvent fournir des propriétés potentiellement uniques.
"Cet article représente une démonstration intrigante de la formation de brochettes hybrides organiques-inorganiques à l'échelle nanométrique, " a déclaré Lin. "Nous sommes impatients d'en savoir plus sur les propriétés uniques qu'ils peuvent avoir, et explorer les applications potentielles.
