Alors que les nanoparticules sonnent comme une découverte récente, ces minuscules structures sont utilisées depuis des siècles. La célèbre coupe de Lycurgue, fabriqué par des artisans romains du IVe siècle, dispose de verre dichroïque, avec des nanoparticules d'or et d'argent saupoudrées partout, produire un aspect vert lorsque la lumière brille de face, et une apparence rouge lorsqu'il est éclairé par l'arrière.

Dans les siècles depuis l'époque des anciens artisans, les chercheurs ont parcouru un long chemin dans la compréhension des nanoparticules. La production de nanocubes a été particulièrement intéressante en raison de leurs applications potentielles en tant que biocapteurs et capteurs de gaz. Les nanoparticules peuvent être produites par des méthodes physiques ou chimiques, bien que les méthodes physiques soient avantageuses en raison de l'absence de contaminants organiques couramment introduits par les méthodes chimiques. Cependant, des nanocubes de taille uniforme sont difficiles à produire en quantités suffisantes par des méthodes physiques. Des chercheurs de l'unité Nanoparticles by Design de l'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University ont récemment découvert une nouvelle approche pour surmonter ce problème. Leurs recherches ont été récemment publiées dans Matériaux fonctionnels avancés .

"La forme du cube n'est pas la structure à plus basse énergie pour les nanoparticules de fer", explique le Dr Jérôme Vernières, premier auteur de la publication, "Donc, nous ne pouvions pas compter sur des considérations thermodynamiques d'équilibre pour auto-assembler ces nanocubes". les scientifiques de l'OIST, sous la direction du professeur Mukhles Sowwan, ont exploité les possibilités offertes par une technique appelée condensation de gaz inerte par pulvérisation magnétron pour créer leurs nanocubes de fer. Avec cette méthode, le gaz argon est d'abord chauffé et transformé en plasma ionisé. Puis, un aimant, convenablement situé derrière une cible réalisée dans le matériau souhaité, dans ce cas, fer à repasser, contrôle la forme du plasma, et garantit que les ions argon bombardent la cible ; d'où le nom "magnétron". Par conséquent, les atomes de fer sont projetés loin de la cible, entrent en collision avec des atomes d'argon et entre eux, et forment des nanoparticules. Un contrôle précis du plasma via le contrôle du champ magnétique peut produire des nanocubes uniformes. "L'uniformité est la clé des applications de détection. Nous avions besoin d'un moyen de contrôler la taille, forme, et le nombre de nanocubes lors de leur fabrication", a expliqué le Dr Stephan Steinhauer.

Pour contrôler la taille et la forme de ces cubes, les chercheurs ont fait un constat simple mais significatif :le fer est magnétique à part entière ! En d'autres termes, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient exploiter le magnétisme intrinsèque de la cible elle-même comme moyen innovant de modifier le champ magnétique du magnétron. De cette façon, ils ont réussi à manipuler le plasma où les particules sont cultivées, et ainsi contrôler la taille des nanocubes lors de la formation. "C'est la première fois que des nanocubes de fer uniformes sont fabriqués à l'aide d'une méthode physique pouvant être mise à l'échelle pour une production de masse", précise Vernières. Pour mieux comprendre les mécanismes de ce processus, l'équipe de l'OIST a collaboré avec des chercheurs de l'Université d'Helsinki pour effectuer des calculs théoriques. "Le travail s'est fortement appuyé à la fois sur des méthodes expérimentales et des calculs théoriques. Les simulations étaient importantes pour nous pour expliquer les phénomènes que nous observions", illumine le Dr Panagiotis Grammatikopoulos.

Une fois que les chercheurs ont inventé un moyen de produire ces cubes de fer uniformes, l'étape suivante consistait à créer un dispositif électronique pouvant utiliser ces nanocubes pour des applications de détection. "Nous avons remarqué que ces cubes étaient extrêmement sensibles aux niveaux de NO2 gazeux. La détection de NO2 est utilisée à diverses fins, du diagnostic des asthmatiques à la détection des pollutions environnementales, donc nous avons tout de suite vu une application pour notre travail", déclare Steinhauer. Les chercheurs de l'Unité Nanoparticules par conception, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Toulouse, puis construit un prototype de capteur de NO2 qui a mesuré le changement de résistance électrique des nanocubes de fer en raison de l'exposition au gaz NO2. Parce que l'exposition à même une très petite quantité de NO2 peut produire un changement mesurable de la résistance électrique qui est considérablement plus important que pour d'autres polluants atmosphériques, le capteur à base de nanocube de fer est à la fois extrêmement sensible et spécifique. « Ces nanocubes ont de nombreuses utilisations potentielles. Le fait que nous puissions produire une quantité relativement importante de nanocubes uniformes en utilisant une méthode de synthèse de plus en plus courante rend cette recherche très prometteuse pour des applications industrielles, " a souligné Vernières.