Ces simulations informatiques à l'échelle atomique des tétrapodes montrent comment ils détectent la compression (à gauche) et la tension le long d'un axe (à droite), qui sont tous deux cruciaux pour détecter la formation de fissures à l'échelle nanométrique. La barre de couleur indique le pourcentage de variation du volume des tétrapodes. Crédit :Berkeley Lab
émettant de la lumière, les nanocristaux à quatre bras pourraient un jour constituer la base d'un système d'alerte précoce dans les matériaux de structure en révélant des fissures microscopiques qui laissent présager une défaillance, grâce aux récentes recherches menées par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et de l'UC Berkeley.
Les chercheurs ont intégré des points quantiques en forme de tétrapodes, qui sont des particules semi-conductrices de taille nanométrique, dans un film polymère. Les noyaux des tétrapodes émettent une lumière fluorescente lorsque leurs bras sont tordus ou déformés. Cela indique que le polymère subit un certain degré de contrainte de traction ou de compression, à partir de laquelle la contrainte sur les régions submicroniques du matériau peut être détectée. Une telle contrainte peut entraîner le développement de fissures à l'échelle nanométrique en défaillance macroscopique. Les premiers tests montrent que les tétrapodes peuvent faire du vélo plus de 20 fois sans perdre leur capacité à ressentir le stress, et ils ne dégradent pas la résistance du polymère dans lequel ils sont matricés.
Jusqu'à présent, les scientifiques ont testé leur approche en laboratoire, mais en pratique, tout ce qui serait nécessaire pour détecter l'avertissement fluorescent des tétrapodes est un produit standard, spectromètre portable. Une personne pourrait pointer un spectromètre sur une poutre en acier, aile d'avion, ou tout matériau contenant les tétrapodes à l'intérieur, et le spectromètre pourrait potentiellement détecter des fissures naissantes qui ne mesurent que 100 nanomètres de long.
"C'est l'échelle de longueur à laquelle les fissures se développent, c'est à ce moment-là que vous voulez les attraper, bien avant que le matériel ne tombe en panne, " dit Shilpa Raja, qui a mené la recherche alors qu'elle était affiliée à la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et doctorante à l'UC Berkeley. Raja est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford. Robert Ritchie et Paul Alivisatos, également de la Division des sciences des matériaux et de l'UC Berkeley, sont les auteurs co-correspondants d'un article sur cette recherche publié en ligne dans la revue Lettres nano (2016, vol. 16, numéro 8, pages. 5060-5067).
"Notre approche pourrait également être un grand pas vers des matériaux intelligents auto-réparateurs. Les tétrapodes pourraient être couplés à des particules de réparation de taille nanométrique pour former un matériau qui détecte le stress local, puis se répare lui-même, " ajoute Raja.
Ce schéma montre un film polymère tétrapode avant et après son étirage dans le sens de la longueur. Les zones oranges sont des grappes de tétrapodes. Les scientifiques ont découvert que la couleur de la lumière émise par les tétrapodes changeait lorsque le polymère était étiré. Crédit :Berkeley Lab
En plus des applications de matériaux, les tétrapodes pourraient potentiellement être utilisés pour détecter la présence de cellules cancéreuses dans des échantillons de tissus car les cellules cancéreuses ont des propriétés mécaniques différentes de celles des cellules saines, comme une rigidité accrue.
Pour développer la technique, les scientifiques ont commencé avec un polymère largement utilisé dans les cellules et autres structures. Ils ont mélangé des nanocristaux tétrapodes dans le polymère et coulé des plaques du mélange dans des boîtes de Pétri. Les dalles ont ensuite été montées dans un testeur de traction et exposées à un laser. Cela a permis aux chercheurs de mesurer simultanément la fluorescence et les contraintes mécaniques de la dalle.
« Il s'agit d'une technique de fabrication à faible coût, et il en a résulté le meilleur accord optomécanique entre la fluorescence et les tests mécaniques détectés par un nanocristal dans un film, " dit Raja.
Raja dit que la forme des tétrapodes les rend très sensibles au stress. Leurs quatre bras agissent comme des antennes qui absorbent le stress de leur environnement immédiat, amplifier le stress, et transférez-le dans le noyau. La couleur de la lumière émise par le noyau indique le degré de stress (et de tension) ressenti par les bras.
Leur approche promet d'être une grande amélioration par rapport aux méthodes actuelles de détection des contraintes à l'échelle nanométrique dans les matériaux, particulièrement sur le terrain. Cela peut être fait en laboratoire avec des techniques telles que la microscopie à force atomique et les techniques de nano-indentation, mais ceux-ci nécessitent un environnement très contrôlé. Au cours des cinq dernières années, les scientifiques ont développé des moyens de matricer d'autres nanoparticules sensibles au stress dans des matériaux, mais ces méthodes ont un rapport signal sur bruit très faible et n'utilisent pas la détection de la lumière visible. En outre, certaines de ces approches dégradent les propriétés mécaniques du matériau dans lequel elles sont intégrées, ou ils ne peuvent pas aller et venir, ce qui signifie qu'ils ne peuvent donner un signal d'avertissement qu'une seule fois.
