À l'échelle nanométrique, où les objets ne couvrent que des milliardièmes de mètre, la taille et la forme d'un matériau peuvent souvent avoir des effets électroniques et optiques surprenants et puissants. Construire des matériaux plus gros qui conservent des caractéristiques nanométriques subtiles est un défi permanent qui façonne d'innombrables technologies émergentes.

Maintenant, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont développé une nouvelle technique pour créer rapidement des grilles nanostructurées pour des matériaux fonctionnels avec une polyvalence sans précédent.

"Nous pouvons fabriquer des grilles multicouches composées de différents matériaux dans pratiquement n'importe quelle configuration géométrique, " a déclaré Kevin Yager, co-auteur de l'étude et scientifique du Brookhaven Lab. " En contrôlant rapidement et indépendamment la structure et la composition à l'échelle nanométrique, nous pouvons adapter les performances de ces matériaux. Surtout, le processus peut être facilement adapté pour des applications à grande échelle."

Les résultats—publiés en ligne le 23 juin dans la revue Communication Nature —pourrait transformer la fabrication de revêtements de haute technologie pour surfaces antireflet, cellules solaires améliorées, et l'électronique à écran tactile.

Les scientifiques ont synthétisé les matériaux au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven Lab et caractérisé les architectures à l'échelle nanométrique à l'aide de la microscopie électronique au CFN et de la diffusion des rayons X à la National Synchrotron Light Source, deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

La nouvelle technique repose sur l'auto-assemblage de polymères, où les molécules sont conçues pour s'assembler spontanément en structures souhaitées. L'auto-assemblage nécessite une explosion de chaleur pour que les molécules s'enclenchent dans les configurations appropriées. Ici, un laser extrêmement chaud a balayé l'échantillon pour transformer des blocs de polymère désordonnés en arrangements précis en quelques secondes seulement.

"Les structures auto-assemblées ont tendance à suivre automatiquement les préférences moléculaires, rendre les architectures personnalisées difficiles, " a déclaré l'auteur principal Pawel Majewski, chercheur postdoctoral à Brookhaven. "Notre technique laser oblige les matériaux à s'assembler d'une manière particulière. On peut alors construire des structures couche par couche, construire des treillis composés de carrés, losanges, Triangles, et d'autres formes."

Nano-fils assemblés au laser

Pour la première étape de la construction du réseau, l'équipe a profité de sa récente invention du recuit de zone laser (LZA) pour produire les pointes thermiques extrêmement localisées nécessaires à l'auto-assemblage ultra-rapide.

Pour exploiter davantage la puissance et la précision de LZA, les chercheurs ont appliqué un revêtement élastique thermosensible sur le film polymère non assemblé. La chaleur du laser de balayage provoque l'expansion de la couche élastique, comme un film rétractable à l'envers, ce qui tire et aligne les cylindres nanométriques qui se forment rapidement.

"Le résultat final est qu'en moins d'une seconde, nous pouvons créer des lots hautement alignés de nano-cylindres, " a déclaré le co-auteur de l'étude Charles Black, qui dirige le groupe Nanomatériaux électroniques au CFN. "Cet ordre persiste sur des zones macroscopiques et serait difficile à atteindre avec une autre méthode."

Pour rendre fonctionnelles ces grilles bidimensionnelles, les scientifiques ont converti la base polymère en d'autres matériaux.

Une méthode consistait à prendre la couche de nano-cylindre et à la plonger dans une solution contenant des sels métalliques. Ces molécules se diffusent ensuite sur le polymère auto-assemblé, le convertir en un treillis métallique. Une large gamme de métaux réactifs ou conducteurs peut être utilisée, dont le platine, or, et palladium.

Ils ont également utilisé une technique appelée dépôt en phase vapeur, où un matériau vaporisé s'infiltre dans les nano-cylindres polymères et les transforme en nano-fils fonctionnels.

Treillis couche par couche

Le premier réseau de nanofils terminé agit comme la base du réseau complet. Couches supplémentaires, chacun suivant des variations sur ce même processus, sont ensuite empilés pour produire sur mesure, configurations entrecroisées, comme les clôtures à mailles losangées 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.

"La direction du balayage laser à travers chaque couche non assemblée détermine l'orientation des rangées de nano-fils, " a déclaré Yager. "Nous déplaçons cette direction laser sur chaque couche, et la façon dont les lignes se croisent et se chevauchent façonne la grille. Nous appliquons ensuite les matériaux fonctionnels après la formation de chaque couche. C'est un moyen exceptionnellement rapide et simple de produire des configurations aussi précises."

Co-auteur de l'étude Atikur Rahman, un chercheur postdoctoral du CFN, ajoutée, "On peut empiler des métaux sur des isolants, trop, intégrant différentes propriétés fonctionnelles et interactions au sein d'une structure de réseau.

"La taille et la composition du maillage font une énorme différence, " continua Rahman. " Par exemple, une seule couche de nano-fils de platine conduit l'électricité dans une seule direction, mais un maillage à deux couches conduit uniformément dans toutes les directions."

LZA est suffisamment précis et puissant pour surmonter les interactions d'interface, lui permettant de piloter l'auto-assemblage du polymère même au-dessus de couches sous-jacentes complexes. Cette polyvalence permet l'utilisation d'une grande variété de matériaux dans différentes configurations à l'échelle nanométrique.

"Nous pouvons générer presque n'importe quelle forme de réseau bidimensionnel, et ainsi avoir une grande liberté dans la fabrication de nanostructures multi-composants, " Yager said. "It's hard to anticipate all the technologies this rapid and versatile technique will allow."