Les nanoparticules en forme de tétraèdre sont suffisamment intéressantes en elles-mêmes, mais dans les bonnes circonstances, les scientifiques de l'Université Rice ont découvert qu'elles font quelque chose de remarquable.

Lors d'une vérification de routine sur un lot de minuscules tétraèdres d'or, le chimiste de Rice Matthew Jones et l'étudiant diplômé Zhihua Cheng ont découvert que leurs particules microscopiques avaient la capacité imprévue de s'organiser en superstructures chirales 2D.

La découverte, qui est détaillée dans une nouvelle étude publiée dans Nature Communications , est probablement le premier auto-assemblage spontané connu d'une structure chirale planaire, a déclaré Jones.

Les structures chirales sont des miroirs opposés, des formes similaires, comme les mains droite et gauche, qui ne peuvent pas être superposées. C'est une distinction importante dans la conception de médicaments, où les molécules chirales peuvent être thérapeutiques d'un côté et toxiques de l'autre.

Les tétraèdres eux-mêmes ne sont pas chiraux, c'est-à-dire qu'ils peuvent être superposés à leurs images miroir. Cela a rendu doublement surprenant qu'ils tombent si facilement dans des formes chirales lors d'expériences lorsqu'ils s'évaporent sur une surface, a déclaré Jones.

"C'est inattendu", a-t-il dit. "Il est très rare de voir une structure chirale se former lorsque vos blocs de construction ne sont pas chiraux."

Jones a déclaré que les super-réseaux 2D créés par les tétraèdres pourraient conduire à des avancées dans les métamatériaux qui manipulent la lumière et le son de manière utile. "Il existe toute une série d'articles qui prédisent que certaines des propriétés les plus intéressantes des métamatériaux optiques apparaissent dans des structures qui ont une chiralité à cette échelle de longueur", a-t-il déclaré.

Les surfaces chirales créées à Rice sont des assemblages ultrafins de particules qui incorporent des domaines gauchers et droitiers en nombre égal. Cela compte dans la façon dont ils traitent la lumière polarisée circulairement, un outil utile en spectroscopie et en plasmonique.

Jones a déclaré qu'une façon de construire des structures 2D précises est de commencer avec un gros morceau de matériau et de travailler de haut en bas, comme un sculpteur, en supprimant les morceaux indésirables pour arriver à la forme souhaitée. L'auto-assemblage est une approche ascendante où une grande structure, comme un arbre, se développe à partir de l'assemblage d'innombrables petits morceaux. L'assemblage ascendant est généralement la plus rapide et la plus efficace des deux approches.

"La plupart du temps, les gens utilisent des particules sphériques en auto-assemblage, mais vous ne pouvez tout simplement pas obtenir autant de complexité en termes de structure", a déclaré Jones. "Mon groupe prend des particules non sphériques et essaie de les faire s'assembler en structures plus sophistiquées."

Ayant découvert un moyen de fabriquer des nano-tétraèdres d'or bien formés, Jones et Cheng les ont mis dans une solution et ont placé une gouttelette sur un substrat. "Nous laissons simplement la goutte s'évaporer, et ce que nous obtenons, ce sont ces incroyables super-réseaux", a-t-il déclaré.

"Il y a deux choses qui les rendent incroyables", a-t-il déclaré. "La première est qu'elles sont exclusivement bidimensionnelles, et la seconde, qui est plus intéressante, est qu'elles sont chirales."

Jones et Cheng pensaient initialement que les particules pourraient se développer en trois dimensions, "mais nous comprenons maintenant comment elles forment une structure 2D aussi compliquée qui fait deux particules d'épaisseur", a déclaré Jones.

Cheng a déclaré:"Au départ, nous ne nous attendions pas du tout à ce qu'ils s'assemblent. Je voulais juste voir que les particules étaient pures et de taille uniforme. Quand j'ai vu les différents arrangements chiraux, j'ai été totalement surpris qu'ils s'assemblent en une telle une structure sympa !"

Jones a déclaré que les particules profitent de plusieurs phénomènes lors de leur assemblage, notamment les forces de van der Waals, la répulsion électrostatique entre les molécules sur les surfaces du tétraèdre et le substrat sur lequel la gouttelette est placée. "Au fil du temps, à mesure que la gouttelette s'évapore, les particules passent de principalement répulsives à fortement attractives, et c'est ainsi qu'elles se cristallisent en super-réseaux", a-t-il déclaré.

Les domaines hexagonaux du matériau se forment lorsque les tétraèdres se rejoignent avec leurs pointes vers le haut ou vers le bas. Au fur et à mesure que les particules s'assemblent, leurs pointes finissent par se rencontrer, ce qui les oblige à glisser un peu les unes sur les autres pour continuer à se rapprocher. Cela force toutes les particules de l'hexagone d'assemblage à tourner au hasard dans un sens ou dans l'autre, formant des domaines chiraux gauche et droit.

Jones a noté qu'il existe un fondement mathématique au phénomène que quelqu'un pourrait éventuellement comprendre.

"Ce n'est que récemment que l'empilement le plus dense de sphères a été mathématiquement prouvé, il faudra donc peut-être un certain temps avant que nous puissions nous attendre à quelque chose de similaire pour les tétraèdres", a-t-il déclaré. "C'est très, très compliqué."

Jones a déclaré qu'il voyait la possibilité "d'assembler un jour un matériau comme celui-ci à la surface d'une piscine" afin que des revêtements métamatériaux avancés puissent être appliqués sur pratiquement n'importe quel objet simplement en le plongeant à travers la surface du liquide. + Explorer plus loin

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