La cristallisation est l'un des processus les plus fondamentaux de la nature - et c'est ce qui donne aux minéraux, gemmes, métaux, et même des protéines leur structure.

Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont essayé de découvrir comment les cristaux naturels s'auto-assemblent et se développent - et leur travail de pionnier a conduit à de nouvelles technologies passionnantes - à partir des points quantiques derrière les écrans de télévision QLED colorés, aux peptoïdes, un imitateur de protéine qui a inspiré des dizaines de percées biotechnologiques.

Maintenant, une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie et de l'UC Berkeley a développé un composite de nanoparticules qui se transforme en cristaux 3-D. Les scientifiques affirment que le nouveau matériau, qu'ils appellent un cristal 3D PGNP (nanoparticule greffée par un polymère) dans leur étude récemment publiée Communication Nature étude - pourrait conduire à de nouvelles technologies développées en 3D plutôt qu'imprimées en 3D.

"Nous avons démontré un nouveau levier à tourner, pour ainsi dire, faire croître un matériau cristallin en un matériau composite ou structuré pour des applications allant de la photonique nanométrique pour les bâtiments intelligents aux actionneurs pour la robotique, " dit Ting Xu, auteur principal de l'étude. Xu est un chercheur principal de la faculté à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.

Xu a déclaré que leur nouvelle méthode est compatible avec les exigences de la fabrication en série. "De nombreux esprits intelligents ont conçu des chimies élégantes, tels que les ADN et les supramolécules, cristalliser des nanoparticules. Notre système est essentiellement un mélange de nanoparticules et de polymères, qui sont similaires aux ingrédients que les gens utilisent pour fabriquer des ailes d'avion ou des pare-chocs d'automobile. Mais ce qui est encore plus intéressant, c'est que nous ne nous attendions pas à ce que notre méthode soit si simple et si rapide, " dit Xu.

Une découverte fortuite

Auteur principal Yiwen Qian, un doctorat étudiant chercheur dans le Xu Group à l'UC Berkeley, découvert les nanocristaux 3D PGNP par hasard dans une expérience de laboratoire ordinaire.

Quelques jours avant, elle avait laissé une solution de solvant toluène et de nanoparticules d'or greffées avec du polystyrène (Au-PS) dans un tube à centrifuger sur un comptoir de laboratoire. Lorsqu'elle a examiné l'échantillon au microscope électronique à transmission (MET), elle a remarqué quelque chose d'étrange. "Les nanoparticules s'étaient cristallisées rapidement. Ce n'était pas une chose normale à laquelle s'attendre, " elle a dit.

Enquêter, Xu a collaboré avec Peter Ercius, chercheur à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et Wolfgang Theis et Alessandra DaSilva de l'Université de Birmingham, qui sont tous largement reconnus pour leur expertise en tomographie STEM (microscopie électronique à transmission à balayage), une technique de microscopie électronique qui utilise un faisceau d'électrons hautement focalisé pour reconstruire des images de la structure 3D d'un matériau à haute résolution.

À l'aide de microscopes à la Fonderie Moléculaire, une installation d'utilisateurs de premier plan dans le domaine de la tomographie STEM, les chercheurs ont d'abord capturé des motifs 3D cristallins des nanoparticules Au-PS.

A la recherche d'autres indices, Xu et Qian ont ensuite déployé des expériences de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l'UC Berkeley, où ils ont découvert qu'une infime trace de molécules de polyoléfine provenant du revêtement du tube de centrifugation avait en quelque sorte pénétré le mélange. Polyoléfines, qui comprennent le polyéthylène et le polypropylène, sont parmi les plastiques les plus répandus dans le monde.

Qian a répété l'expérience, ajouter plus de polyoléfine à la solution Au-PS - et cette fois, ils ont obtenu de plus gros cristaux PGNP 3D en quelques minutes.

Xu était surpris. "Je pensais, 'Cela ne devrait pas arriver si vite, '", se souvient-elle. "Les cristaux de nanoparticules mettent généralement des jours à se développer en laboratoire."

Une aubaine pour l'industrie :faire pousser des matériaux au niveau nanométrique

Des expériences ultérieures ont révélé que, comme le solvant toluène s'évapore rapidement à température ambiante, l'additif polyoléfine aide les nanoparticules Au-PS à se former en cristaux de PGNP 3D, et pour " grandir dans leur structure cristalline préférée, " dit Qian.

Dans une autre expérience clé, les chercheurs ont conçu un disque cristallin de 100 à 200 nanomètres qui ressemble à la base d'une pyramide. De cette étonnante démonstration de maîtrise de la matière à l'échelle nanométrique, les chercheurs ont appris que la taille et la forme des cristaux de PGNP 3D sont déterminées par l'énergie cinétique des polyoléfines lorsqu'elles précipitent dans la solution.

Tout à fait, ces résultats "fournissent un modèle pour montrer comment vous pouvez contrôler la structure cristalline au niveau d'une seule particule, " Xu a dit, ajoutant que leur découverte est passionnante car elle fournit un nouvel aperçu de la façon dont les cristaux se forment pendant les premières étapes de la nucléation.

"Et c'est difficile à faire parce qu'il est difficile de faire asseoir des atomes les uns à côté des autres, " dit Ercius.

La nouvelle approche pourrait accorder aux chercheurs un contrôle sans précédent dans le réglage fin des dispositifs électroniques et optiques au niveau nanométrique (milliardièmes de mètre), dit Xu. Une telle précision à l'échelle des nanoparticules, elle a ajouté, pourrait accélérer la production et éliminer les erreurs de fabrication.

Regarder vers l'avant, Qian aimerait utiliser sa nouvelle technique pour sonder la ténacité de différentes structures cristallines et peut-être même fabriquer un cristal hexagonal.

Xu prévoit d'utiliser sa technique pour développer des dispositifs plus gros tels qu'un transistor ou peut-être des nanoparticules imprimées en 3D à partir d'un mélange de matériaux.

« Que pouvez-vous faire avec différentes morphologies ? Nous avons montré qu'il est possible de générer un composite monocomposant à partir d'un minéral et d'un polymère. C'est vraiment passionnant. Parfois, il suffit d'être au bon endroit au bon moment, " dit Xu.

Les co-auteurs de l'article sont Alessandra da Silva et Wolfgang Theis de l'Université de Birmingham au Royaume-Uni; Emmy Yu, un étudiant chercheur de premier cycle dans le groupe Xu à l'UC Berkeley; et Christopher L. Anderson et Yi Liu à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab.