Chimiquement pareil, le graphite et les diamants sont aussi physiquement distincts que deux minéraux peuvent l'être, une opaque et douce, l'autre translucide et dur. Ce qui les rend uniques, c'est leur disposition différente des atomes de carbone.

Polymorphes, ou des matériaux de même composition mais de structures différentes, sont communs dans les matériaux en vrac, et maintenant une nouvelle étude en Communication Nature confirme leur existence dans les nanomatériaux, trop. Les chercheurs décrivent deux structures uniques pour le nanocluster d'or emblématique Au144(SR)60, mieux connu sous le nom d'Or-144, y compris une version jamais vue auparavant. Leur découverte offre aux ingénieurs un nouveau matériau à explorer, ainsi que la possibilité de trouver d'autres nanoparticules polymorphes.

"Cela a pris quatre ans pour s'éclaircir, " dit Simon Billinge, professeur de physique à Columbia Engineering et membre du Data Science Institute. "Nous ne nous attendions pas à ce que les clusters prennent plus d'un arrangement atomique. Mais cette découverte nous donne plus de poignées à tourner lorsque nous essayons de concevoir des clusters avec des propriétés nouvelles et utiles."

L'or est utilisé dans les pièces de monnaie et les bijoux depuis des milliers d'années pour sa durabilité, mais réduisez-le à une taille 10, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain, et il devient extrêmement instable et imprévisible. A l'échelle nanométrique, l'or aime séparer d'autres particules et molécules, ce qui en fait un matériau utile pour purifier l'eau, imager et tuer les tumeurs, et rendre les panneaux solaires plus efficaces, entre autres applications.

Bien qu'une variété de particules et de molécules de nano-or aient été fabriquées en laboratoire, très peu ont vu leur arrangement atomique secret révélé. Mais récemment, les nouvelles technologies mettent en évidence ces structures minuscules.

Sous une seule approche, des faisceaux de rayons X à haute énergie sont tirés sur un échantillon de nanoparticules. Des analyses de données avancées sont utilisées pour interpréter les données de diffusion des rayons X et déduire la structure de l'échantillon, qui est la clé pour comprendre à quel point la force, réactives ou durables, les particules peuvent être.

Billinge et son laboratoire ont mis au point une méthode, l'analyse de la fonction de distribution de paires atomiques (PDF), pour interpréter ces données de diffusion. Pour tester la méthode PDF, Billinge a demandé à des chimistes de la Colorado State University de préparer de minuscules échantillons d'or-144, un amas de nano-or de la taille d'une molécule isolé pour la première fois en 1995. Sa structure avait été théoriquement prédite en 2009, et bien que jamais confirmé, Gold-144 a trouvé de nombreuses applications, y compris en imagerie tissulaire.

En espérant que le test confirmerait la structure de Gold-144, ils ont analysé les clusters à la source européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble, et ont utilisé la méthode PDF pour déduire leur structure. A leur grande surprise, ils ont trouvé un noyau angulaire, et non le noyau icosaédrique en forme de sphère prédit. Lorsqu'ils ont fait un nouvel échantillon et ont réessayé l'expérience, cette fois grâce aux synchrotrons des laboratoires nationaux de Brookhaven et d'Argonne, la structure est revenue sphérique.

"Nous ne comprenions pas ce qui se passait, mais en creusant plus profondément, nous avons réalisé que nous avions un polymorphe, " a déclaré Kirsten Jensen, co-auteur de l'étude, ancien chercheur postdoctoral à Columbia, maintenant professeur de chimie à l'Université de Copenhague.

D'autres expériences ont confirmé que le cluster avait deux versions, parfois retrouvés ensemble, chacun avec une structure unique indiquant qu'ils se comportent différemment. Les chercheurs ne savent toujours pas si Gold-144 peut passer d'une version à l'autre ou, quoi exactement, différencie les deux formes.

Pour faire leur découverte, les chercheurs ont résolu ce que les physiciens appellent le problème inverse de la nanostructure. Comment la structure d'une minuscule nanoparticule dans un échantillon peut-elle être déduite d'un signal de rayons X moyenné sur des millions de particules, chacun avec des orientations différentes ?

"Le signal est bruité et fortement dégradé, " dit Billinge. " C'est l'équivalent d'essayer de reconnaître si l'oiseau dans l'arbre est un rouge-gorge ou un cardinal, mais l'image dans vos jumelles est trop floue et déformée pour le dire."

"Nos résultats démontrent la puissance de l'analyse PDF pour révéler la structure de très petites particules, " a ajouté le co-auteur de l'étude Christopher Acerson, professeur de chimie à l'État du Colorado. "J'ai essayé, par intermittence, pendant plus de 10 ans pour obtenir la structure à rayons X monocristalline de Gold-144. La présence de polymorphes aide à expliquer pourquoi cette molécule a été si résistante aux méthodes traditionnelles."

L'approche PDF est l'une des nombreuses méthodes concurrentes en cours de développement pour mettre l'accent sur la structure des nanoparticules. Maintenant qu'il a fait ses preuves, cela pourrait aider à accélérer le travail de description d'autres nanostructures.

L'objectif final est de concevoir des nanoparticules par leurs propriétés souhaitées, plutôt que par essais et erreurs, en comprenant comment la forme et la fonction sont liées. Des bases de données de structures connues et prédites pourraient permettre de concevoir de nouveaux matériaux en quelques clics de souris.

L'étude est une première étape.

"Nous avons un modèle de structure pour cette molécule d'or emblématique depuis des années, puis cette étude arrive et dit que la structure est fondamentalement correcte mais qu'elle a un double, " dit Robert Whetten, professeur de physique chimique à l'Université du Texas, San Antonio, qui a dirigé l'équipe qui a d'abord isolé Gold-144. "Cela semblait absurde, avoir deux structures distinctes qui sous-tendent son ubiquité, mais c'est un beau papier qui convaincra pas mal de monde."