La couleur ajoutée dans cette image au microscope électronique à balayage (MEB) met en valeur le discret, couches auto-assemblées au sein de ces nouvelles nanostructures. Les barres bleu pâle sont chacune d'environ 4, 000 fois plus fin qu'un seul cheveu humain. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Construire des nanomatériaux avec des caractéristiques couvrant à peine des milliardièmes de mètre nécessite une précision extraordinaire. L'intensification de cette construction tout en augmentant la complexité présente un obstacle important à l'utilisation généralisée de ces matériaux nano-conçus.
Maintenant, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis ont mis au point un moyen de créer efficacement des multicouche, structures nanométriques à motifs multiples d'une complexité sans précédent.
L'équipe de Brookhaven a exploité l'auto-assemblage, où les matériaux s'emboîtent spontanément pour former la structure désirée. Mais ils ont introduit un saut significatif dans l'intelligence matérielle, car chaque couche auto-assemblée guide désormais la configuration des couches supplémentaires.
Les résultats, publié dans la revue Communication Nature , offrir un nouveau paradigme pour l'auto-assemblage à l'échelle nanométrique, nanotechnologie potentiellement avancée utilisée pour la médecine, production d'énergie, et d'autres applications.
"Il y a quelque chose d'étonnant et de gratifiant à créer des structures que personne n'a jamais vues auparavant, " a déclaré le co-auteur de l'étude Kevin Yager, un scientifique du Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN). « Nous appelons cette construction en couches réactives une tour, mais où chaque brique est intelligente et contient des instructions pour les briques suivantes."
La technique a été entièrement mise au point au CFN, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
"L'astuce consistait à "sceller" chimiquement chaque couche pour la rendre suffisamment robuste pour que les couches supplémentaires ne la perturbent pas, " a déclaré l'auteur principal Atikur Rahman, un post-doctorat au Brookhaven Lab pendant l'étude et maintenant professeur adjoint à l'Indian Institute of Science Education and Research, Pune. "Cela nous a accordé un contrôle sans précédent. Nous pouvons désormais empiler n'importe quelle séquence de couches auto-organisées pour créer des structures 3D de plus en plus complexes."
Guider les conversations à l'échelle nanométrique
D'autres méthodes de nano-fabrication, telles que la lithographie, peuvent créer des nano-structures précises, mais l'ordre spontané de l'auto-assemblage le rend plus rapide et plus facile. Plus loin, la superposition réactive pousse cette efficacité dans de nouvelles directions, permettre, par exemple, structures avec des canaux ou des poches internes qui seraient extrêmement difficiles à réaliser par tout autre moyen.
"L'auto-assemblage est peu coûteux et évolutif car il est motivé par des interactions intrinsèques, ", a déclaré Gregory Doerk, co-auteur de l'étude et scientifique du CFN. "Nous évitons les outils complexes qui sont traditionnellement utilisés pour sculpter des nano-structures précises."
La collaboration CFN a utilisé des films minces de chaînes de copolymères séquencés (BCP) de deux molécules distinctes liées entre elles. Grâce à des techniques bien établies, les scientifiques étalent des films BCP sur un substrat, chaleur appliquée, et regardé le matériau s'auto-assembler dans une configuration prescrite. Imaginez étaler des LEGO sur une plaque à pâtisserie, le mettre au four, puis le voir émerger avec chaque pièce élégamment emboîtée dans un ordre parfait.
Cependant, ces matériaux sont classiquement bidimensionnels, et le simple fait de les empiler produirait un désordre désordonné. Les scientifiques du Brookhaven Lab ont donc mis au point un moyen d'avoir des couches auto-assemblées discrètement « parler » les unes aux autres.
Cette image montre la gamme de morphologies multicouches obtenues grâce à cette nouvelle technique. La première colonne montre une coupe transversale des nouvelles nanostructures 3-D capturées par microscopie électronique à balayage (MEB). Les rendus informatiques de la deuxième colonne mettent en évidence l'intégrité et la diversité de chaque couche distincte, tandis que la vue SEM aérienne de la troisième colonne révèle les motifs complexes obtenus grâce à la superposition "intelligente". Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
L'équipe a infusé chaque couche avec une vapeur de molécules inorganiques pour sceller la structure, un peu comme l'application de gomme laque à l'échelle nanométrique pour préserver un puzzle juste assemblé.
« Nous avons réglé l'étape d'infiltration de vapeur pour que la structure de chaque couche présente des contours de surface contrôlés, " a déclaré Rahman. " Les couches suivantes ressentent et réagissent alors à cette topographie subtile. "
Le coauteur Pawel Majewski a ajouté, "Essentiellement, nous ouvrons une « conversation » entre les couches. Les motifs de surface entraînent une sorte de diaphonie topographique, et chaque couche sert de modèle pour la suivante."
Configurations exotiques
Comme c'est souvent le cas en recherche fondamentale, cette diaphonie était un phénomène inattendu.
« Nous avons été stupéfaits lorsque nous avons vu pour la première fois des modèles de commande d'une couche à l'autre, dit Rahman. « Nous avons su immédiatement que nous devions tester de manière exhaustive toutes les combinaisons possibles de couches de film et explorer le potentiel de la technique.
La collaboration a démontré la formation d'un large éventail de nanostructures, y compris de nombreuses configurations jamais observées auparavant. Certains contenaient des chambres creuses, chevilles rondes, tiges, et des formes sinueuses.
"C'était vraiment un effort herculéen de la part d'Atikur, " a déclaré Yager. " Les échantillons multicouches couvraient une gamme stupéfiante de combinaisons. "
Les co-auteurs de l'étude, Pawel Majewski et Kevin Yager, préparent des films à l'échelle nanométrique de matériaux à auto-assemblage. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Cartographier des structures inédites
Les scientifiques ont utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB) pour sonder les caractéristiques à l'échelle nanométrique, obtenir des détails en coupe des structures émergentes. Un faisceau d'électrons focalisé a bombardé l'échantillon, rebondir sur les caractéristiques de la surface avant d'être détectés pour permettre la reconstruction d'une image décrivant la configuration exacte.
Ils ont complété cela par la diffusion des rayons X à la source de lumière synchrotron nationale II de Brookhaven, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science. La technique de diffusion pénétrante a permis aux chercheurs de sonder la structure interne.
« Le CFN rassemble un concentré de compétences unique, intérêts, et la technologie, " a déclaré le directeur et coauteur du CFN, Charles Black. " Dans une installation, nous avons des gens intéressés à créer, conversion, et mesurer les structures - c'est ainsi que nous pouvons avoir ce genre de percées imprévues et hautement collaboratives."
Cette avancée fondamentale élargit considérablement la diversité et la complexité des structures réalisables en auto-assemblage, et élargit en conséquence la gamme des applications potentielles. Par exemple, des nanostructures tridimensionnelles complexes pourraient apporter des améliorations transformatrices dans les membranes nanoporeuses pour la purification de l'eau, biodétection, ou catalyse.
