Imaginez si un matériau s'arrangerait dans une forme adaptée à son application, par exemple, un catalyseur qui maximise sa propre surface pour une efficacité améliorée ou un micro-actionneur qui forme des appendices pour saisir les objets à proximité. C'est la promesse de l'auto-assemblage :rendre complexe, matériaux fonctionnels en laissant la matière se former. Encore, toutes les matières qui s'auto-assemblent en des formes intéressantes ne s'avèrent pas avoir une fonction utile dans leur forme finale. Des chercheurs du groupe Self-Organizing Matter ont récemment découvert que l'échange d'ions leur permet de séparer le processus d'auto-assemblage du matériau résultant. Leurs conclusions ont été publiées dans Matériaux avancés le 16 novembre et souligné dans La nature et Nature Avis Matériaux .

Avec leurs formes belles et complexes, les nanocomposites étudiés par le groupe Self-Organizing Matter sont assez remarquables (voir illustration). Encore, doctorat les étudiants Hans Hendrikse et Arno van der Weijden voulaient plus que de belles structures et avaient envie d'utiliser également la fonctionnalité des nanocomposites. Encouragés par la formabilité et la disposition structurelle de leurs nanocomposites, ils ont commencé à étudier les options avec des chercheurs de l'Université d'Amsterdam, ARNCL, Université de Leiden et Virginia Tech.

L'équipe de recherche a commencé avec des nanocomposites constitués de carbonate de baryum (BaCO 3 ) nanocristaux noyés dans une silice (SiO 2 ) et les a convertis en sulfure de cadmium (CdS). D'abord, ils ont établi une voie pour convertir de manière reproductible les nanocomposites en ce matériau final, tout en étudiant les propriétés des nanocomposites pendant l'échange d'ions. Grâce à l'analyse par microscopie électronique et diffraction des rayons X, l'équipe a appris quelque chose de fascinant :la petite taille du BaCO 3 les nanocristaux les rendaient exceptionnellement sensibles aux réactions d'échange d'ions, tandis que le SiO environnant 2 matrice a fourni une stabilité mécanique pour maintenir la forme du nanocomposite d'origine pendant la conversion. Hans Hendrikse dit, "c'est presque comme si nous changeions certaines des briques d'une maison tout en gardant intacte la structure globale."

Sur la base de ces connaissances, élargir la sélection de matériaux était simple et de nouvelles voies ont été développées pour changer la composition du nanocomposite en divers cadmium, fer à repasser, sels de nickel et de manganèse. De plus, le nanocomposite original peut être mis en forme dans un grand choix de formes prédéterminées. Toutes ces formes peuvent être converties en n'importe laquelle des compositions mentionnées ci-dessus. Il est donc non seulement possible de convertir des nanocomposites, il existe également une variété de matériaux et de formes parmi lesquels choisir de manière interchangeable.

Finalement, l'équipe a exploré les applications potentielles de cette nouvelle approche. Par exemple, ils ont découvert que les nanocomposites contenant du nickel peuvent être utilisés comme catalyseurs pour le processus de reformage à sec, qui surpasse les catalyseurs traditionnels à basse température. Par ailleurs, l'équipe a synthétisé de la magnétite à forme contrôlée (Fe 3 O 4 ) des nanocomposites pouvant être déplacés et réorientés grâce à leurs propriétés magnétiques. Finalement, ils ont créé des actionneurs microscopiques activés par faisceau électronique en utilisant la flexibilité introduite lors de l'une des réactions d'échange d'ions en conjonction avec les propriétés de rétrécissement de la matrice de silice. En bref, ils ont découvert des réactions d'échange d'ions préservant la forme qui ouvrent de nouvelles voies vers des matériaux auto-assemblés avec divers nouveaux, propriétés fonctionnelles.