Les scientifiques des matériaux ont développé une nouvelle stratégie pour fabriquer des nanotiges unidimensionnelles à partir d'une large gamme de matériaux précurseurs. Basé sur un squelette cellulosique, le système repose sur la croissance de "bras" de copolymère séquencé qui aident à créer un compartiment servant de réacteur chimique à l'échelle nanométrique. Les blocs extérieurs des bras empêchent l'agrégation des nanotiges.

Les structures produites ressemblent à de minuscules goupillons avec des « poils » de polymère sur la surface de la nanotige. Les nanotiges varient en taille de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres de longueur, et quelques dizaines de nanomètres de diamètre. Cette nouvelle technique permet un contrôle strict du diamètre, longueur et propriétés de surface des nanotiges, dont optique, électrique, les propriétés magnétiques et catalytiques dépendent des matériaux précurseurs utilisés et des dimensions des nanotiges.

Les nanotiges pourraient avoir des applications dans des domaines tels que l'électronique, appareils sensoriels, conversion et stockage d'énergie, l'administration de médicaments, et le traitement du cancer. En utilisant leur technique, les chercheurs ont jusqu'à présent fabriqué des uniformes métalliques, ferroélectrique, conversion ascendante, nanocristaux semi-conducteurs et thermoélectriques, ainsi que leurs combinaisons. La recherche, soutenu par le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne, a été rapporté dans le numéro du 16 septembre de la revue Science .

"Nous avons développé une stratégie très générale et robuste pour fabriquer une riche variété de nanotiges avec des dimensions contrôlées avec précision, composition, architectures et chimies de surface, " dit Zhiqun Lin, professeur à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. « Pour créer ces structures, nous avons utilisé des copolymères séquencés non linéaires ressemblant à des goupillons en tant que minuscules réacteurs pour modéliser la croissance d'une variété passionnante de nanotiges inorganiques. »

Les structures de nanotiges ne sont pas nouvelles, mais la technique utilisée par le laboratoire de Lin produit des nanotiges de tailles uniformes - telles que le titanate de baryum et l'oxyde de fer, qui n'ont pas encore été démontrées via des approches de chimie humide dans la littérature - et des nanotiges core-shell hautement uniformes fabriquées en combinant deux matériaux différents. Lin et l'ancien associé de recherche postdoctoral Xinchang Pang affirment que les matériaux précurseurs applicables à la technique sont pratiquement illimités.

« Il existe de nombreux précurseurs de différents matériaux disponibles qui peuvent être utilisés avec ce système robuste, " dit Lin. " En choisissant un bloc externe différent dans les copolymères blocs en forme de goupillon, nos nanotiges peuvent être dissoutes et uniformément dispersées dans des solvants organiques tels que le toluène ou le chloroforme, ou dans l'eau."

La fabrication des nanotiges commence par la fonctionnalisation de longueurs individuelles de cellulose, un biopolymère à longue chaîne bon marché récolté sur les arbres. Chaque unité de cellulose a trois groupes hydroxyle, qui sont modifiés chimiquement avec un atome de brome. La cellulose bromée sert alors de macroamorceur pour la croissance des bras de copolymères à blocs de longueurs bien contrôlées par le procédé de polymérisation radicalaire par transfert d'atomes (ATRP), avec, par exemple, poly(acide acrylique)-bloc-polystyrène (PAA-b-PS) produisant une cellulose densément greffée avec PAA-b-PS (c'est-à-dire, cellulose-g-[PAA-b-PS]) qui donnent l'apparence du goupillon.

L'étape suivante implique la séparation préférentielle des précurseurs dans le compartiment PAA interne qui sert de nanoréacteur pour initier la nucléation et la croissance des nanotiges. Les bras copolymères blocs densément greffés, avec le squelette rigide en cellulose, donner aux chercheurs la possibilité non seulement d'empêcher l'agrégation des nanotiges résultantes, mais aussi pour les empêcher de se plier.

"Les polymères sont comme de longs spaghettis et ils veulent s'enrouler, " expliqua Lin. " Mais ils ne peuvent pas le faire dans les macromolécules complexes que nous fabriquons car avec autant de bras de copolymère séquencé formés, il n'y a pas d'espace. Cela conduit à l'étirement des bras, formant une structure très rigide."

En faisant varier la chimie et le nombre de blocs dans les bras des copolymères blocs de type goupillon, Lin et ses collègues ont produit une gamme de nanotiges simples solubles dans l'huile et solubles dans l'eau, nanotiges noyau-coque, et des nanotiges creuses – nanotubes – de différentes dimensions et compositions.

Par exemple, en utilisant des copolymères triblocs de type goupillon contenant des bras de copolymères triblocs amphiphiles densément greffés, les nanotiges coeur-coquille peuvent être formées de deux matériaux différents. Dans la plupart des cas, une grande disparité de réseau entre les matériaux du noyau et de la coque empêcherait la formation de structures noyau-coque de haute qualité, mais la technique surmonte cette limitation.

« En utilisant cette approche, nous pouvons faire croître les matériaux du noyau et de la coque indépendamment dans leurs nanoréacteurs respectifs, ", a déclaré Lin. "Cela nous permet de contourner l'exigence d'appariement des réseaux cristallins et permet la fabrication d'une grande variété de structures noyau-coque avec différentes combinaisons qui seraient autrement très difficiles à obtenir."

Lin voit de nombreuses applications potentielles pour les nanotiges.

"Avec une large gamme de propriétés physiques - optiques, électrique, optoélectronique, catalytique, magnétique, et la détection – qui dépendent sensiblement de leur taille et de leur forme ainsi que de leurs assemblages, les nanotiges produites présentent un intérêt à la fois fondamental et pratique, " a déclaré Lin. " Les applications potentielles incluent l'optique, électronique, photonique, technologies magnétiques, matériels et dispositifs sensoriels, matériaux structurels légers, catalyse, l'administration de médicaments, et la bio-nanotechnologie.

Par exemple, des nanotiges en or ordinaire de différentes longueurs peuvent permettre une absorption plasmonique efficace dans le proche infrarouge pour une utilisation dans la conversion de l'énergie solaire avec une meilleure récolte du spectre solaire. Les nanotiges de conversion ascendante peuvent récolter préférentiellement les photons solaires IR, suivi de l'absorption des photons de haute énergie émis pour générer un photocourant supplémentaire dans les cellules solaires. Ils peuvent également être utilisés pour le marquage biologique en raison de leur faible toxicité, stabilité chimique, et une luminescence intense lorsqu'elle est excitée par un rayonnement proche infrarouge, qui peut pénétrer beaucoup mieux dans les tissus que les rayonnements à énergie plus élevée tels que les ultraviolets, comme cela est souvent requis avec les étiquettes de points quantiques.

Les nanotiges à noyau-coque d'oxyde de fer et d'or peuvent être utiles dans le traitement du cancer, avec l'imagerie IRM activée par la coque en oxyde de fer, et le chauffage local créé par l'effet photothermique sur le noyau de nanotige d'or tuant les cellules cancéreuses.