La structure adoptée par les nanoparticules de sulfure de plomb change étonnamment souvent lorsqu'elles s'assemblent pour former des super-réseaux ordonnés. C'est ce que révèle une étude expérimentale menée à la source de rayons X PETRA III de DESY. Une équipe dirigée par les scientifiques de DESY Irina Lokteva et Felix Lehmkühler, du groupe Coherent X-ray Scattering dirigé par Gerhard Grübel, a observé l'auto-organisation de ces nanoparticules semi-conductrices en temps réel. Les résultats ont été publiés dans la revue Chimie des Matériaux . L'étude permet de mieux comprendre l'auto-assemblage des nanoparticules, ce qui peut conduire à des structures très différentes.

Entre autres, les nanoparticules de sulfure de plomb sont utilisées dans les cellules photovoltaïques, diodes électroluminescentes et autres appareils électroniques. Dans l'étude, l'équipe a étudié la manière dont les particules s'auto-organisent pour former un film hautement ordonné. Ils l'ont fait en plaçant une goutte de liquide (25 millionièmes de litre) contenant les nanoparticules à l'intérieur d'une petite cellule et en laissant le solvant s'évaporer lentement pendant deux heures. Les scientifiques ont ensuite utilisé un faisceau de rayons X sur la ligne de lumière P10 pour observer en temps réel quelle structure les particules se sont formées lors de l'assemblage.

A leur grande surprise, la structure adoptée par les particules a changé plusieurs fois au cours du processus. "On voit d'abord les nanoparticules former une symétrie hexagonale, ce qui conduit à un solide nanoparticulaire ayant une structure en réseau hexagonal, " rapporte Lokteva. " Mais alors le super-réseau change soudainement, et affiche une symétrie cubique. Comme il continue de sécher, la structure effectue deux autres transitions, devenant un super-réseau à symétrie tétragonale et enfin un avec une symétrie cubique différente. » Cette séquence n'a jamais été révélée auparavant avec autant de détails.

L'équipe suggère que la structure hexagonale (hexagonale compacte, HCP) persiste tant que la surface des particules est gonflée par le solvant. Une fois que le film sèche un peu, sa structure interne se transforme en une symétrie cubique (cubique centré, Cci). Cependant, des résidus du solvant restent encore entre les nanoparticules individuelles à l'intérieur du film. Au fur et à mesure que cela s'évapore, la structure change deux fois de plus (BCT tétragonal centré sur le corps et FCC cubique centré sur la face).

La structure finale du film dépend d'un certain nombre de facteurs différents, comme l'explique Lokteva. Ils incluent le type de solvant et la vitesse à laquelle il s'évapore, taille et concentration des nanoparticules, mais aussi la nature des soi-disant ligands qui entourent les particules et leur densité. Les scientifiques utilisent le terme ligand pour décrire certaines molécules qui se lient à la surface des nanoparticules et les empêchent de s'agglomérer. Dans l'étude, l'équipe a utilisé de l'acide oléique à cette fin; ses molécules recouvrent les particules, un peu comme la cire qui empêche les oursons en gélatine de se coller les uns aux autres dans un sac. Il s'agit d'un processus bien établi en nanotechnologie.

"Nos recherches indiquent que la structure finale du super-réseau dépend également du fait que les nanoparticules individuelles sont entourées de nombreuses ou de quelques molécules d'acide oléique, " rapporte Lokteva. " Dans une étude antérieure, nous avons obtenu des films avec une structure cristalline BCC/BCT lorsque la densité de ligand était élevée. Ici, nous avons spécifiquement étudié les nanoparticules à faible densité de ligands, et cela a conduit à une structure FCC. Ainsi, lors de l'utilisation de nanoparticules, la densité de ligand doit être déterminée, ce qui n'est pas une pratique courante à l'heure actuelle, " explique le scientifique DESY.

Ces observations sont également importantes lorsqu'il s'agit d'autres matériaux, précise l'équipe. "Le sulfure de plomb est un système modèle intéressant qui nous aide à mieux comprendre les mécanismes généraux par lesquels les nanoparticules s'auto-assemblent, " explique Lokteva. " La nature peut fournir des nanostructures avec diverses propriétés intéressantes via le phénomène d'auto-assemblage, et nous avons maintenant les outils pour regarder par-dessus l'épaule de la nature pendant qu'elle construit ces structures."