Des particules microscopiquement petites peuvent s'auto-assembler spontanément en structures stratifiées complexes aux propriétés remarquables, selon les calculs effectués à la TU Wien.

Il existe de nombreuses façons de créer de nouvelles, matériaux innovants. L'un des plus intéressants est un processus par lequel de minuscules particules s'auto-assemblent pour former des structures complexes. Ce processus, appelé « auto-organisation, " ouvre des opportunités remarquables, comme le démontrent maintenant les simulations informatiques réalisées à la TU Wien. Des macromolécules simples sont capables de former des systèmes en couches qui peuvent être simultanément solides et liquides dans une large plage de températures.

Des charges repoussantes et attractives

"Le concept de base est celui qui est largement exploité dans la nature, " explique le professeur Gerhard Kahl de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. " Les virus et les bactéries présentent souvent des charges de surface. Cela signifie qu'ils s'attirent ou se repoussent, selon le type de charge qu'ils transportent. Par conséquent, une liaison sélective peut se produire entre ces entités, leur permettant de s'assembler en intéressant, structures fonctionnelles."

Un processus similaire est également possible avec des particules artificielles - par exemple, petites sphères (colloïdales) auxquelles une charge électrique positive est appliquée sur deux régions de surface opposées. Si les conditions ambiantes sont appropriées, ces particules peuvent s'auto-assembler pour former une couche bidimensionnelle. Les particules deviennent alors très serrées, former un motif hexagonal, avec les régions de surface chargées des particules alignées de sorte qu'elles forment de fortes liaisons attractives. Ce motif de liaison rend la couche extrêmement stable.

Comme Emanuela Bianchi et Silvano Ferrari du groupe de travail de Gerhard Kahl l'ont démontré, cela permet à un phénomène intéressant de se produire, à savoir que plusieurs de ces couches peuvent alors se rejoindre simultanément. Des particules supplémentaires peuvent alors occuper des positions entre les couches, établir des liens solides entre ces couches. Ces particules de liaison fixent les couches en place, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent plus se déplacer l'un par rapport à l'autre; donc une écurie, La structure multicouche est formée de manière complètement autonome grâce à l'auto-organisation de particules aléatoires qui passent par là.

A la fois solide et liquide :la mini gaufrette au chocolat

Les caractéristiques particulières de ces structures deviennent apparentes lorsque la température est élevée :« Les liaisons au sein des couches individuelles sont beaucoup plus fortes que les liaisons entre les couches, " explique Gerhard Kahl. " Si la température augmente, ce sont les liaisons les plus faibles entre les couches qui se rompent en premier; les particules peuvent alors se déplacer librement sous forme de liquide tandis que les couches elles-mêmes restent stables. avec du chocolat liquide pris en sandwich entre solide, couches de plaquettes stables. "C'est un phénomène remarquable. Nous avons affaire à un matériau unique qui n'est constitué que d'un seul type de particules, peut encore former une structure qui comprend à la fois des couches solides et liquides."

Ce scénario peut être observé sur une large plage de températures; ce n'est que lorsque la température est si élevée que même les liaisons stables au sein des couches individuelles sont rompues que la structure se désagrège et fond complètement. Jusque là, le système démontre une capacité d'auto-guérison exceptionnelle :même endommagé, il est bientôt réparé automatiquement par le passage aléatoire de particules.

Des expériences ont déjà commencé pour tester les utilisations potentielles de ces nouvelles idées. Il existe de nombreuses utilisations possibles pour des structures de ce type. "De telles structures nous permettraient de contrôler avec précision le transport des particules via de subtils changements de température, " dit Gerhard Kahl. Cela pourrait être utilisé en médecine, par exemple, afin de transporter les médicaments exactement à l'endroit approprié dans le corps.