Des simulations informatiques ont identifié les conditions dans lesquelles des cubes nanométriques s'auto-assembleraient en une grille, incorporant des formes triangulaires plates entre elles. Cette technique pourrait aider à créer de nouveaux types de matériaux dotés de nouvelles propriétés. Crédit :Glotzer Lab, Université du Michigan
Un modèle de conception de nouveaux matériaux utilisant des combinaisons difficiles de nanocristaux a été développé par une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université du Michigan.
Les travaux pourraient conduire à des améliorations des nanocristaux déjà utilisés dans les écrans, imagerie médicale et diagnostic, et permettre de nouveaux matériaux avec des propriétés auparavant impossibles.
Les chercheurs peuvent fabriquer des matériaux aux propriétés nouvelles et intéressantes en rassemblant des nanocristaux de compositions différentes, tailles et formes. Le défi consiste à le faire de manière organisée. Maintenant, l'équipe de Penn et U-M a développé une stratégie qui explore les nanoparticules disponibles et trouve comment les coller ensemble.
"C'est l'un de ces problèmes où 'comme aime comme, '", a déclaré Katherine Elbert, récemment diplômée du doctorat, qui a dirigé cette étude tout en travaillant dans le laboratoire de Chris Murray, un professeur Penn Integrates Knowledge (PIK) en science et ingénierie des matériaux.
Cette tendance signifie que les différents types de nanocristaux se séparent souvent, formant des taches désordonnées plutôt qu'intégrées, solides ordonnés.
"Ici, nous essayons de surmonter cette barrière et de fabriquer des matériaux dans lesquels les nanocristaux sont précisément couplés à leurs voisins pour hybrider leurs propriétés, ", a déclaré Elbert.
Modélisation informatique par le groupe de Sharon Glotzer, le John W. Cahn Distinguished University Professor of Engineering à U-M, a démontré un moyen de contourner cette barrière en enrobant les nanoparticules de molécules qui modifient sa forme en ce qui concerne les nanoparticules voisines.
Cubes de tellurure de plomb et triangles de fluorure de lanthane auto-assemblés en grille en laboratoire, lorsque les chercheurs ont suivi les conditions découvertes grâce aux simulations informatiques. Cette technique pourrait aider à créer de nouveaux types de matériaux dotés de nouvelles propriétés. La barre d'échelle sur l'image du microscope électronique est de 100 nanomètres. Crédit :Murray Lab, Université de Pennsylvanie
« Nous pouvons tirer parti de ces changements subtils pour favoriser l'assemblage par opposition à la ségrégation, " dit Thi Vo, Chercheur U-M en génie chimique.
L'un des plus grands défis dans le domaine de la recherche est le nombre et les types de nanocristaux - avec des bibliothèques massives de nanocristaux avec différentes formules chimiques, tailles et formes.
« Mettre chaque « brique » exactement au bon endroit serait insurmontable, " Murray a dit. "Mais si vous pouvez trouver les règles par lesquelles la nature veut assembler des nanocristaux, et vous savez optimiser les conditions et la conception précise des blocs, vous avez maintenant ce plan pour fabriquer différentes classes de matériaux."
Le groupe de Glotzer a passé au peigne fin la bibliothèque de particules que le groupe de Murray pouvait fabriquer, modéliser les interactions entre des paires de nanocristaux pour voir comment ils pourraient s'assembler en différentes structures souhaitées. L'étude informatique recommandait les tailles, formes, types de matériaux et environnements chimiques pour les expériences de suivi en laboratoire.
Les chercheurs se sont concentrés sur deux classes de nanocristaux avec des compositions très différentes, tailles et structures dans cette étude, l'une avec des propriétés optiques intéressantes et l'autre avec des propriétés électriques utiles. D'habitude, ils n'aiment pas se mélanger. Mais s'ils le faisaient, nous pourrions potentiellement les combiner pour fabriquer des cellules solaires capables de convertir la lumière infrarouge en électricité plus efficacement, entre autres possibilités.
Lorsque l'équipe a contrôlé avec précision les tailles et formes de surface des nanocristaux avec ces molécules de revêtement, pour que les bonnes combinaisons de cristaux s'attirent les uns les autres, they were able to create integrated structures. These results can be applied to other types of materials with only minor adjustments.
"By building nanoscale components and organizing them under a universal set of conditions, we can get materials properties that don't coexist or are exceedingly difficult to bring together. Maintenant, we have a strategy to get the nanocrystals to couple and overlap, " Murray said.
The paper in Avancées scientifiques is titled "Anisotropic nanocrystal shape and ligand design for co-assembly."
