Des matériaux formés à des échelles extrêmement petites sont utilisés en médecine, électronique, fabrication et une foule d'autres applications. Mais les scientifiques n'ont fait qu'effleurer la surface pour comprendre comment contrôler les éléments constitutifs à l'échelle nanométrique, où fonctionnent des machines simples de la taille d'un virus.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par Dongsheng Li, un scientifique des matériaux au PNNL, et des collaborateurs de l'Université du Michigan et de l'Académie chinoise des sciences, ont percé le secret de l'une des nanostructures les plus utiles :le jumeau quintuple. Leur étude décrivant pourquoi et comment cette forme se forme est détaillée dans le journal Science et a été présenté lors de la réunion annuelle de la Materials Research Society le 5 décembre 2019.

Une coupe transversale d'une structure jumelle quintuple ressemble à tout le monde à une tarte coupée en cinq morceaux parfaitement symétriques. Il a déjà été démontré que les nanomatériaux avec cette structure ont des propriétés utiles et sont déployés dans la recherche médicale pour marquer avec précision les tumeurs cancéreuses pour l'imagerie et le suivi, et en électronique, où ils sont appréciés pour leur résistance mécanique.

"Les nanoparticules naturelles et synthétiques composées de domaines cristallins jumelés cinq fois ont des propriétés uniques, " dit Li, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Mais le mécanisme de formation de ces nanoparticules jumelées quintuple a été mal compris. Pour la première fois, nous avons directement observé la formation de jumeaux quintuples en temps réel et déterminé le mécanisme par lequel ils se forment."

Depuis que les scientifiques ont appris à manipuler des molécules à l'échelle nanométrique, ils ont remarqué que les matériaux ont tendance à s'agréger en certaines formes géométriques :fils, tuyaux, sphères, et les cubes se forment tous avec peu d'intervention. Mais pourquoi?

L'équipe de recherche a utilisé une combinaison de microscopie électronique à transmission haute résolution combinée à des techniques de simulation de dynamique moléculaire pour sonder pourquoi les structures se forment comme elles le font. Dans la plupart des cas, les nanostructures se forment trop rapidement pour les capturer à l'aide de techniques d'imagerie expérimentales. Ici, l'équipe a déployé une stratégie astucieuse :ils ont forcé les molécules à se déplacer plus lentement en les enfermant dans une matrice organique semblable à de la mélasse, et ils ont observé plus de 200 événements de formation pour capturer toutes les étapes clés du processus. Ils ont découvert deux mécanismes différents pour former des nanostructures jumelées cinq fois, qui sont tous deux façonnés par l'accumulation et l'élimination de la tension vers une forme idéale qui élimine toute tension.

"Le mécanisme que nous avons élaboré est une voie commune pour la croissance cristalline qui se produit largement dans divers systèmes comme les métaux, semi-conducteurs, organique, et phases biominérales, " dit Li. " Par conséquent, ce que nous avons appris de notre observation peut se généraliser à un large éventail de matériaux."

Maintenant que les chercheurs ont capturé les forces fondamentales qui façonnent la structure, ils espèrent pouvoir guider plus de types de matériaux dans cette forme de tarte très utile.

« Nous espérons permettre la conception de nanostructures de taille et de morphologie contrôlées, et d'adapter leurs propriétés, " dit Li.