Tout comme les atomes de carbone dans les feuilles de graphène, les nanoparticules peuvent former des couches stables avec des épaisseurs minimales du diamètre d'une seule nanoparticule. Une nouvelle méthode de liaison de nanoparticules dans de tels films extrêmement minces a été développée à l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie.

Le tailleur chimiste coupe son pelage en fonction de... ses nanoparticules

Les succès de personnalisation à ce jour des chercheurs synthétisant des couches de nanoparticules ne seraient pas suffisants pour organiser même le plus modeste des défilés de mode chimique. Les nanoparticules pourraient être organisées en épaisseurs de couche de particules uniques, c'est-à-dire monocouches - mais ces structures n'étaient pas stables car il n'était pas possible jusqu'à présent de lier des nanoparticules entre elles de manière stable en monocouches.

"Dans les années récentes, notre groupe de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie a travaillé au développement d'une plate-forme universelle pour la synthèse de monocouches stables de nanoparticules. Aujourd'hui, nous avons la preuve que notre méthode « sur mesure » ​​de liaison chimique des nanoparticules en monocouches fonctionne réellement, " dit le Dr Marcin Fialkowski, professeur à l'IPC PAS, et démontre un petit, couche, déposé sur une plaque, avec la plus petite épaisseur possible, égale au diamètre d'une seule nanoparticule d'or.

Les monocouches de nanoparticules d'or cousues chimiquement produites à l'IPC PAS ont des surfaces de l'ordre du millimètre carré, et pour des raisons évidentes, ils sont très délicats. Mécaniquement, ils ressemblent à des plaques acryliques - lorsqu'ils sont soumis à des forces, ils se déforment initialement élastiquement, après quoi ils craquent soudainement.

"Nos monocouches ne sont pas grandes, car nous voulions seulement démontrer la justesse du concept de leur synthèse. Rien ne s'oppose à la réalisation de monocouches comme nous le proposons avec des surfaces de plusieurs centimètres carrés, " dit le professeur Fialkowski.

Des couches de nanoparticules sont produites depuis des années à l'interface entre deux liquides non miscibles. Lorsqu'il est introduit dans un liquide plus lourd, lors d'une agitation mécanique, des nanoparticules convenablement préparées en sortent et se répartissent aléatoirement à la frontière avec le liquide plus léger. L'ordre peut être établi en comprimant les nanoparticules avec des pistons sur le côté et en les compactant ainsi. Les monocouches produites de cette manière n'étaient jusqu'à présent pas durables et en essayant de les retirer de l'interface, elles se sont simplement effondrées. À son tour, structures liées chimiquement, capable de survivre à la séparation de l'interface, s'est toujours avéré être soit des multicouches, soit des composites amorphes de nanoparticules.

"Nos monocouches sont stables car nous avons lié les nanoparticules avec des 'agrafes' spéciales, ' ou des molécules de liaison. Chaque lieur relie deux nanoparticules adjacentes par de fortes liaisons covalentes, c'est-à-dire chimiquement", explique le Dr Tomasz Andryszewski (IPC PAS), auteur principal de la publication dans la revue Chimie des Matériaux .

Les nanoparticules d'or utilisées dans les expériences à l'IPC PAS ont des diamètres d'environ cinq nanomètres (milliardièmes de mètre); la longueur des linkers utilisés n'est que d'un an et demi. Pour qu'un lieur aussi court puisse lier ensemble des nanoparticules adjacentes, ceux-ci doivent être convenablement décalés l'un vers l'autre.

« La principale difficulté de notre travail résidait dans le fait que nous devions concilier deux exigences a priori opposées. Du fait de la longueur du linker, nous savions que les nanoparticules devaient être rapprochées à une faible distance, ce qui signifie qu'ils devraient être soumis à des forces relativement importantes. Par conséquent, nous ne voulions pas que les nanoparticules sortent de l'interface. À la fois, nous devions d'une manière ou d'une autre empêcher les nanoparticules de s'agglutiner dans des structures aléatoires, " dit le Dr Andryszewski.

Pour remplir ces conditions, les nanoparticules étaient recouvertes de petites, molécules spécialement conçues (ligands), qui contenait d'un côté des groupes amine (avec de l'azote et de l'hydrogène), et de l'autre, des groupes thiol (avec du soufre et de l'hydrogène). Les parties thiol combinées à l'or, tandis que les parties aminés se sont situées à l'extérieur des nanoparticules et leur ont donné une charge électrique positive.

« Les nanoparticules d'or modifiées agissent comme des bouées avec un grand déplacement. Elles se localisent à la frontière entre les liquides si durablement que même une forte agitation n'est pas capable de les repousser. En même temps, ils se repoussent électrostatiquement. Par conséquent, chaque nanoparticule se voit garantir un « espace privé » autour d'elle-même, nécessaire au maintien de l'ordre, " explique Michalina Iwan, doctorante (IPC PAS).

Lorsque les nanoparticules convenablement préparées avaient déjà été pressées en monocouches à l'interface, une substance de liaison a été injectée dans le système. La réaction de réticulation, rappelant l'agrafage automatique, a eu lieu à température ambiante et à pression normale, sans avoir besoin d'initiateurs ou de catalyseurs. Après l'anastomose chimique, la monocouche pourrait être retirée de l'interface entre les liquides, sèche, et même soumis à l'action de solvants forts.

Les propriétés physiques des monocouches dérivées à l'aide d'une chimie sur mesure peuvent être modifiées en sélectionnant des lieurs appropriés. Plus long, des lieurs polymères permettraient la formation de monocouches avec une élasticité plus élevée. En utilisant des linkers conducteurs de courant, il serait à son tour possible de réaliser des monocouches aux propriétés optoélectroniques spécifiquement déterminées. L'utilisation d'encore d'autres linkers pourrait conduire à des monocouches présentant un effet piézorésistif, c'est-à-dire changer leur conductivité électrique sous l'influence de déformations mécaniques. La nouvelle méthode de synthèse est également importante pour la recherche fondamentale - à l'avenir, il permettra l'étude directe de choses comme les propriétés mécaniques de nanoparticules individuelles.