Outils du métier :une fiole à trois cols (à gauche) pour préparer la solution qui fait des nanocubes, et un système de tuyauterie complexe qui condense la solution si elle s'évapore et contrôle le flux de gaz pendant la réaction. Crédit :Nancy Bazilchuk/NTNU
Les scientifiques des matériaux qui travaillent avec des composants de taille nanométrique ont développé des méthodes de travail avec leurs matériaux extrêmement petits. Mais que se passerait-il si vous pouviez faire en sorte que vos composants s'assemblent eux-mêmes dans différentes structures sans les manipuler du tout ?
Verner Håkonsen travaille avec des cubes si petits que près de cinq milliards d'entre eux pourraient tenir sur une tête d'épingle.
Il cuisine les cubes dans le NTNU NanoLab, dans un flacon en verre d'aspect étrange avec trois cols sur le dessus en utilisant un mélange de produits chimiques et de savon spécial.
Et quand il expose ces cubes invisibles à un champ magnétique, ils accomplissent un exploit magique :ils s'assemblent sous la forme qu'il veut.
"C'est comme construire une maison, sauf que vous n'avez pas à le construire, " dit-il. La force magnétique ainsi que d'autres forces font que " la maison se construit elle-même - tous les blocs de construction s'assemblent parfaitement dans les bonnes conditions ".
Bien que les chercheurs aient déjà pu provoquer l'assemblage de nanoparticules de différentes manières, Håkonsen et ses collègues sont les premiers à montrer à quel point le magnétisme peut être important en ce qui concerne les propriétés mécaniques de certaines structures de nanoparticules. Les chercheurs ont appelé leurs créations de minuscules nanocubes superstructures ou supercristaux parce que les nanocubes sont organisés selon un motif ordonné, un peu comme des atomes dans un cristal. « Les supercristaux sont particulièrement intéressants car ils présentent des propriétés améliorées par rapport à une seule nanoparticule ou à un matériau massif, " dit Håkonsen.
La grande découverte est que lorsque les cubes magnétiques sont auto-assemblés dans ce que les chercheurs appellent un supercristal, sous des formes telles que des lignes, des tiges ou des hélices, par exemple, l'énergie de cohésion entre les particules dans le supercristal peut augmenter jusqu'à 45 pour cent en raison des interactions magnétiques entre les cubes.
"Cela signifie que l'énergie qui maintient le tout ensemble augmente jusqu'à 45%, " il a dit.
La force des supercristaux en combinaison avec leurs propriétés magnétiques améliorées sera la clé du développement des utilisations futures, qui pourrait couvrir tout, des applications pour l'industrie automobile aux technologies de l'information. Les recherches de Håkonsen viennent d'être publiées dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .
Ce dé à coudre de laboratoire est plein de supercristaux nanométriques. Le motif que vous pouvez voir provient des supercristaux qui s'arrangent eux-mêmes. Crédit :Nancy Bazilchuk/NTNU
Quand les choses deviennent minuscules, la physique devient bizarre
Un principe central de la recherche sur les nanoparticules est que plus les particules sont petites, l'étranger leur comportement.
C'est parce que la taille diminue, la surface de la particule représente un pourcentage beaucoup plus important du volume global de la structure que dans les particules qui ne sont pas de taille nanométrique.
"Par conséquent, plus les nanoparticules sont petites, plus ils peuvent être instables, " a déclaré Håkonsen. C'est ce qu'on appelle "l'effet de taille" en nanoscience, et est l'un des aspects fondamentaux de la nanotechnologie car les choses deviennent plus petites que 100 nm.
"Vous pouvez même avoir des particules qui se déplacent spontanément entre différentes structures cristallines, en raison de leur petite taille, " expliqua-t-il. " Les particules fondent en partie. "
L'effet de taille affecte également d'autres propriétés dans les petites nanoparticules, comme les propriétés magnétiques, où le champ magnétique de la particule peut commencer à sauter de lui-même dans différentes directions.
La taille compte toujours
En d'autres termes, même si le magnétisme pourrait renforcer les nanostructures auto-assemblées des chercheurs, l'effet taille jouait encore un rôle. Quand les supercristaux étaient super petits, les structures étaient plus faibles que leurs homologues plus grandes.
"Ce que cela signifie, c'est que vous avez un effet de taille en ce qui concerne la stabilité mécanique également dans les supercristaux - un "effet de super taille" - mais cela suggère également qu'il existe des effets de taille pour d'autres propriétés des supercristaux, " a déclaré Håkonsen. " Ce qui est également remarquable, c'est que cet effet super-taille va au-delà de l'échelle nanométrique, et jusqu'à l'échelle microscopique."
Cette image de microscopie électronique à balayage montre clairement les nanocubes de 12 nm assemblés en supercristaux. Crédit :Verner Håkonsen/NTNU
Plutôt que de poser un problème, cependant, dans ce cas, savoir que l'effet de taille affectera les supercristaux pourrait permettre aux chercheurs de contrôler - ou de régler - le comportement des structures à travers une variété de facteurs différents.
"Cela pourrait ouvrir un nouveau champ, accordage contrôlé par la taille, " a déclaré Håkonsen. " Il pourrait être possible de contrôler les caractéristiques des supercristaux, pas seulement par la façon dont les particules elles-mêmes sont fabriquées, mais par la forme et la taille du supercristal et le nombre de particules qu'il contient."
Cubes de magnétite
Les recherches de Håkonsen au NTNU Nanomechanical Lab reposent sur des nanocubes qu'il fabrique lui-même à partir de magnétite, c'est pourquoi ils s'auto-assemblent en réponse à un champ magnétique.
Essentiellement, il fabrique une molécule qu'il chauffe ensuite dans un solvant contenant une substance semblable à du savon appelée tensioactif. Le tensioactif empêche les nanocubes de devenir trop gros et peut également contrôler la forme de la nanoparticule. De cette façon, Håkonsen et son équipe peuvent fabriquer des cubes et des sphères, entre autres formes.
Les collaborateurs de Håkonsen sont issus de toutes les disciplines, y compris les physiciens, scientifiques en mécanique et matériaux et experts en informatique, et viennent de l'Université de Sydney et de l'UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) en plus de NTNU. Les chercheurs ont choisi d'utiliser des cubes pour leur étude car il y a eu moins de recherches sur les cubes que sur les sphères, et les cubes sont également les plus susceptibles de fournir la structure la plus solide, il a dit.
"Il s'agit de recherche fondamentale. Notre motivation a été d'étudier comment le magnétisme affecte les propriétés mécaniques dans les supercristaux, " a-t-il dit. " C'est important parce que nous avons toutes ces applications potentielles, mais pour les réaliser, nous avons également besoin de supercristaux mécaniquement stables."
Håkonsen a déclaré que lui et ses collaborateurs poursuivaient leurs recherches pour en savoir plus sur la façon dont le magnétisme peut être utilisé pour ajuster les propriétés mécaniques des supercristaux magnétiques.
