Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke ont théorisé une nouvelle approche « huile et vinaigre » pour concevoir des matériaux d'auto-assemblage d'architectures inhabituelles faites de nanoparticules sphériques. Les structures résultantes pourraient s'avérer utiles pour des applications en optique, plasmonique, l'électronique et la catalyse chimique à plusieurs étages.

La nouvelle approche est apparue en ligne le 25 mars dans le journal ACS Nano .

Abandonnés à leurs propres tendances, un système de nanoparticules sphériques suspendues conçues pour s'agglomérer tentera de maximiser leurs points de contact en s'entassant le plus étroitement possible. Il en résulte la formation soit de clusters aléatoires, soit d'un ensemble tridimensionnel, structure cristalline.

Mais les scientifiques des matériaux veulent souvent construire des structures plus ouvertes de dimensions inférieures, tels que des cordes ou des feuilles, tirer parti de certains phénomènes qui peuvent se produire dans les espaces entre différents types de particules. Et ils sont toujours à la recherche de moyens intelligents de contrôler avec précision les tailles et les emplacements de ces espaces et particules.

Dans la nouvelle étude, Gaurav Arya, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke, propose une méthode qui tire parti des couches formées par des liquides qui, comme une bouteille de vinaigrette laissée trop longtemps en rayon, refuser de se mélanger.

Lorsque des nanoparticules sphériques sont placées dans un tel système, ils tendent à former une seule couche à l'interface des liquides opposés. Mais ils n'ont pas à y rester. En fixant des molécules "d'huile" ou de "vinaigre" à la surface des particules, les chercheurs peuvent les faire flotter plus d'un côté de la ligne de démarcation que de l'autre.

"Les particules veulent maximiser leur nombre de contacts et former des structures en vrac, mais en même temps, l'interface des différents liquides essaie de les forcer en deux couches, " dit Arya. " Vous avez donc une compétition de forces, et vous pouvez l'utiliser pour former différents types de structures uniques et intéressantes."

L'idée d'Arya est de contrôler précisément la quantité que chaque nanoparticule sphérique est repoussée par un liquide ou l'autre. Et selon ses calculs, en modifiant cette propriété ainsi que d'autres comme la composition et la taille des nanoparticules, les scientifiques des matériaux peuvent créer toutes sortes de formes intéressantes, des structures grêles ressemblant à des molécules aux structures en zigzag où seules deux nanoparticules se touchent à la fois. On pourrait même imaginer plusieurs couches différentes travaillant ensemble pour organiser un système de nanoparticules.

Dans le document de preuve de concept, les nanoparticules pourraient être faites de n'importe quoi. L'or ou les semi-conducteurs pourraient être utiles pour les dispositifs plasmoniques et électriques, tandis que d'autres éléments métalliques pourraient catalyser diverses réactions chimiques. Les substrats opposés qui forment l'interface, pendant ce temps, sont calqués sur divers types de polymères qui pourraient également être utilisés dans de telles applications.

"Jusqu'à présent dans cet article, nous avons seulement introduit l'approche d'assemblage et démontré son potentiel pour créer ces arrangements exotiques que vous n'obtiendriez pas normalement, " a déclaré Arya. " Il y a tellement plus de choses à faire ensuite. Pour un, nous aimerions explorer le répertoire complet des structures et des phases possibles que les chercheurs pourraient créer en utilisant ce concept. Nous travaillons également en étroite collaboration avec des expérimentateurs pour tester toutes les capacités de cette approche. »