En utilisant une chimie simple et un mix-and-match, stratégie modulaire, les chercheurs ont développé une approche simple qui pourrait produire plus de 65, 000 types différents de nanoparticules complexes, contenant chacun jusqu'à six matériaux différents et huit segments, avec des interfaces exploitables dans des applications électriques ou optiques. Ces nanoparticules en forme de bâtonnet mesurent environ 55 nanomètres de long et 20 nanomètres de large - en comparaison, un cheveu humain mesure environ 100, 000 nanomètres d'épaisseur - et beaucoup sont considérés comme parmi les plus complexes jamais réalisés.

Un article décrivant la recherche, par une équipe de chimistes de Penn State, paraît le 24 janvier 2020 dans la revue Science .

« Le monde des nanosciences s'intéresse beaucoup à la fabrication de nanoparticules qui combinent plusieurs matériaux différents :semi-conducteurs, catalyseurs, aimants, matériel électronique, " a déclaré Raymond E. Schaak, Professeur DuPont de chimie des matériaux à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "Vous pouvez penser à avoir différents semi-conducteurs reliés entre eux pour contrôler la façon dont les électrons se déplacent à travers un matériau, ou agencer les matériaux de différentes manières pour modifier leur optique, catalytique, ou propriétés magnétiques. Nous pouvons utiliser les ordinateurs et les connaissances chimiques pour prédire beaucoup de cela, mais le goulot d'étranglement a été dans la fabrication des particules, surtout à une échelle suffisamment grande pour que vous puissiez réellement les utiliser."

L'équipe commence avec de simples nanotiges composées de cuivre et de soufre. Ils remplacent ensuite séquentiellement une partie du cuivre par d'autres métaux en utilisant un processus appelé "échange de cations". En modifiant les conditions de réaction, ils peuvent contrôler où dans la nanotige le cuivre est remplacé - à une extrémité de la tige, aux deux extrémités simultanément, ou au milieu. Ils peuvent ensuite répéter le processus avec d'autres métaux, qui peuvent également être placés à des emplacements précis dans les nanotiges. En effectuant jusqu'à sept réactions séquentielles avec plusieurs métaux différents, ils peuvent créer un véritable arc-en-ciel de particules - plus de 65, 000 combinaisons différentes de matériaux sulfurés métalliques sont possibles.

"La vraie beauté de notre méthode est sa simplicité, " a déclaré Benjamin C. Steimle, un étudiant diplômé à Penn State et le premier auteur de l'article. « Auparavant, il fallait des mois ou des années pour fabriquer ne serait-ce qu'un seul type de nanoparticule contenant plusieurs matériaux différents. Il y a deux ans, nous étions vraiment enthousiastes à l'idée de pouvoir fabriquer 47 nanoparticules de sulfure métallique différentes en utilisant une version antérieure de cette approche. fait de nouvelles avancées significatives et en a appris davantage sur ces systèmes, nous pouvons aller bien au-delà de ce que n'importe qui a pu faire auparavant. Nous sommes désormais capables de produire des nanoparticules d'une complexité auparavant inimaginable simplement en contrôlant la température et la concentration, le tout utilisant de la verrerie de laboratoire standard et des principes abordés dans un cours d'introduction à la chimie."

"L'autre aspect vraiment passionnant de ce travail est qu'il est rationnel et évolutif, " dit Schaak. " Parce que nous comprenons comment tout fonctionne, nous pouvons identifier une nanoparticule très complexe, planifier un moyen de le faire, puis allez dans le laboratoire et faites-le assez facilement. Et, ces particules peuvent être fabriquées en quantités utiles. En principe, nous pouvons maintenant faire ce que nous voulons et autant que nous voulons. Il y a encore des limites, bien sûr, nous sommes impatients de pouvoir le faire avec encore plus de types de matériaux, mais même avec ce que nous avons maintenant, cela change notre façon de penser à ce qu'il est possible de faire."