Le secret d'un tour de magie longtemps caché derrière l'auto-assemblage de structures nanocristallines commence à être révélé.

La transformation de simples particules colloïdales (morceaux de matière en suspension en solution) en particules étroitement emballées, belles mailles en dentelle, ou super-réseaux, a intrigué les chercheurs pendant des décennies. De jolies images en elles-mêmes, ces minuscules super-réseaux, aussi appelés points quantiques, sont utilisés pour créer des écrans d'affichage plus vifs ainsi que des réseaux de dispositifs sensoriels optiques. Le potentiel ultime des points quantiques pour transformer n'importe quelle surface en écran intelligent ou en charnières de source d'énergie, en partie, sur la compréhension de leur formation.

Grâce à une combinaison de techniques comprenant l'évaporation contrôlée du solvant et la diffusion synchrotron des rayons X, l'auto-assemblage en temps réel de structures nanocristallines est désormais observable in-situ. Les résultats ont été rapportés dans le journal Matériaux naturels dans un article du professeur adjoint William A. Tisdale et de l'étudiant diplômé Mark C. Weidman, à la fois au Département de génie chimique du MIT, et Detlef-M. Smilgies à la source synchrotron à haute énergie de Cornell (CHESS).

Les chercheurs prévoient que leurs nouvelles découvertes auront des implications pour la manipulation directe des super-réseaux résultants, avec la possibilité de fabrication à la demande et le potentiel de générer des principes pour la formation de matériaux mous connexes tels que des protéines et des polymères.

Discothèque à points quantiques

Tisdale et ses collègues font partie des nombreux groupes qui étudient les nanocristaux semi-conducteurs durs avec des surfaces recouvertes de molécules organiques. Ces matériaux électroniques traitables par solution sont maintenant sur les tablettes des magasins sous une variété de noms, incorporé dans tout, des écrans d'éclairage aux téléviseurs. Ils cherchent également à fabriquer des cellules solaires efficaces et d'autres dispositifs de conversion d'énergie en raison de leur facilité de fabrication et de leurs processus de fabrication à faible coût.

L'adoption plus large de ces nanocristaux dans d'autres technologies de conversion d'énergie a été limitée, en partie, par le manque de connaissances sur la façon dont ils s'auto-assemblent, allant des particules colloïdales (comme de minuscules boules de polystyrène suspendues dans un liquide) aux super-réseaux (imaginez ces mêmes boules maintenant sèches, emballé, et aligné).

Des techniques telles que la microscopie électronique et la diffusion dynamique de la lumière ont découvert certains aspects de l'état colloïdal de départ et de la structure finale du super-réseau, mais ils n'ont pas éclairé la transition entre ces deux états. En réalité, ce travail fondateur remonte au milieu des années 90 avec le groupe de Moungi Bawendi au MIT.

« Au cours des 10 à 15 dernières années, beaucoup de progrès ont été réalisés dans la réalisation de très belles structures nanocristallines, " dit Tisdale. " Cependant, il y a encore beaucoup de débats sur la raison pour laquelle ils s'assemblent dans chaque configuration. Est-ce l'entropie du ligand ou le facettage des nanocristaux ? La profondeur des informations fournies en regardant l'ensemble du processus d'auto-organisation se dérouler en temps réel peut aider à répondre à ces questions."

Chambre des Secrets

Pour réaliser le film à l'échelle nanométrique ci-dessus, L'étudiant diplômé et co-auteur de Tisdale, Mark Weidman, a profité d'une chambre expérimentale développée par Cornell et d'une configuration à double détecteur récemment développée avec deux détecteurs de zone rapides, tandis que les conditions environnementales ont été modifiées lors de la formation des super-réseaux. En utilisant des nanocristaux de sulfure de plomb, Weidman a pu effectuer des observations simultanées de diffusion de rayons X aux petits angles (capturant la structure du super-réseau) et de diffusion de rayons X aux grands angles (capturant l'orientation à l'échelle atomique et l'alignement de particules individuelles) pendant l'évaporation d'un solvant.

"Nous pensons que c'était la première expérience qui nous a permis de regarder en temps réel et dans un environnement natif comment se produit l'auto-assemblage, " dit Tisdale. " Ces expériences n'auraient pas été possibles sans les capacités expérimentales développées par Detlef et l'équipe CHESS. "

L'utilisation de nanocristaux avec un élément lourd (plomb) et la luminosité de la source de rayons X du synchrotron ont permis une collecte de données suffisamment rapide pour que l'auto-assemblage puisse être observé en temps réel, résultant en des images et des films convaincants du processus.

Une maille fine

La découverte peut conduire à des modèles raffinés pour l'auto-assemblage d'une large gamme de matériaux mous organiques. De plus, la possibilité de surveiller l'évolution de la structure en temps réel est également prometteuse pour intervenir ou orienter le système dans les configurations souhaitées, présageant un futur guide pratique pour la création de super-réseaux.

Tisdale dit qu'il reste encore beaucoup à faire pour comprendre pourquoi les nanocristaux s'auto-assemblent comme ils le font. Lui et son équipe prévoient d'utiliser leur nouvelle technique pour manipuler des paramètres tels que les conditions de solvant ainsi que la taille et la forme des nanocristaux, et d'étudier de plus près les ligands en surface car ils semblent être le moteur clé de l'auto-assemblage.

"Nous espérons que cette étude et cette technique contribueront à améliorer notre compréhension de l'auto-assemblage colloïdal et, à long terme, nous permettent d'orienter l'auto-assemblage à l'échelle nanométrique vers une structure souhaitée, " ajoute Weidman.