La nature peut détester le vide, mais elle aime certainement la structure. Des assemblages complexes et auto-organisés se trouvent dans le monde naturel, des molécules d'ADN à double hélice aux cristaux photoniques qui rendent les ailes de papillon si colorées et irisées.

Un projet dirigé par Cornell a créé des nanoclusters synthétiques qui peuvent imiter cet auto-assemblage hiérarchique du nanomètre au centimètre, couvrant sept ordres de grandeur. Les films minces synthétiques résultants ont le potentiel de servir de système modèle pour explorer les systèmes hiérarchiques biomimétiques et les futures fonctions avancées.

L'article du groupe, "Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase", publié le 14 avril dans Nature Materials .

Auparavant, le plus grand obstacle à la création de ce type de nanomatériau synthétique était le manque de blocs de construction à l'échelle nanométrique avec la polyvalence nécessaire pour interagir sur de nombreuses échelles de longueur, leur permettant de s'organiser en structures complexes, comme on en trouve dans les biomolécules.

Ainsi, une équipe dirigée par les co-auteurs principaux Richard Robinson, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au College of Engineering, et Tobias Hanrath, professeur à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, s'est tournée vers le sulfure de cadmium, un composé éprouvé. véritable matériau pour la recherche sur les nanoparticules.

Contrairement aux efforts précédents pour synthétiser le composé, le groupe a réalisé une version de synthèse à haute concentration qui utilisait très peu de solvant. Le processus a produit des "amas de taille magique" de 57 atomes, d'environ 1,5 nanomètre de long. Chacune de ces nanoparticules avait une enveloppe de ligands - des molécules de liaison spéciales - qui pouvaient interagir les unes avec les autres de telle manière qu'elles formaient des filaments de plusieurs microns de long et de centaines de nanomètres de large. Les filaments étaient "périodiquement décorés de ces grappes de taille magique, comme une autoroute de voitures, avec un espacement parfait entre elles", selon Robinson.

"Si vous regardez le devant du filament, au centre, il est organisé radialement et structuré de manière hexagonale", a-t-il déclaré. "Et parce que ces filaments structurés ont des enchevêtrements attrayants, il s'avère que lorsqu'ils sont séchés dans de bonnes conditions, ils s'auto-assemblent avec une commande à long terme."

Remarquablement, en contrôlant soigneusement la géométrie d'évaporation, les filaments se sont tordus en câbles plus gros qui font des centaines de microns de long, et les câbles ont ensuite été regroupés et alignés en bandes hautement ordonnées, aboutissant finalement à un film mince qui est modelé à des échelles centimétriques.

"Habituellement, vous ne pouvez pas synthétiser quelque chose qui a une organisation hiérarchique allant du nanomètre à sept ordres de grandeur plus grands. Je pense que c'est vraiment la sauce spéciale", a déclaré Robinson. "Les assemblages imitent de nombreux produits naturels intéressants - minéralisation naturelle, photonique naturelle - des choses qui se produisent dans la nature que nous n'avons pas été en mesure de reproduire avec succès en laboratoire."

Le mélange d'interactions organiques et inorganiques donne aux amas de taille magique la capacité de créer des films avec une structuration périodique parfaite. Le fait que le film mince puisse montrer tout le spectre d'un arc-en-ciel, ce que les chercheurs ont démontré, est la preuve de sa structure parfaite.

"Il est probable que les gens n'aient jamais vu cela auparavant car la plupart des synthèses ont été effectuées à de faibles concentrations, vous avez donc beaucoup de solvant. Ils n'ont pas les mêmes interactions ligand-ligand", a-t-il déclaré. "Nous avons changé cela. Nous avons déplacé l'échelle d'un clic de la décimale, et nous avons créé cette synthèse sans solvant."

L'un des aspects les plus intrigants du film de nanomatériau est qu'il affiche des propriétés optiques chirales - l'absorption non symétrique de la lumière polarisée - qui se manifestent probablement au niveau des nanoparticules, et cette caractéristique est amplifiée jusqu'à l'échelle macroscopique. Les couches minces partagent également des similitudes surprenantes avec les cristaux liquides.

Pour mieux comprendre le comportement de l'auto-organisation, Robinson et Hanrath ont consulté un groupe de collaborateurs.

Lena Kourkoutis, professeure agrégée de physique appliquée et d'ingénierie, s'est occupée de la microscopie électronique qui a permis à l'équipe de voir où se trouvaient les nanoparticules dans les filaments. Julia Dshemuchadse, professeure adjointe en science et génie des matériaux, a théorisé les règles qui régissent l'assemblage et la stabilité des filaments. Des chercheurs de l'Université de Toronto et du Rochester Institute of Technology ont estimé les interactions entre les dipôles électriques qui orientent les clusters et ont développé un modèle théorique qui a montré pourquoi la méthode d'évaporation a amené les nanoclusters à former un film aussi parfaitement périodique, respectivement.

La découverte des structures multi-échelles remarquables ouvre de nouvelles voies pour développer des technologies qui tirent parti de leurs propriétés chiroptiques émergentes.

"Les interactions lumière-matière uniques de ces métamatériaux chiroptiques peuvent être utilisées pour une gamme d'applications potentielles, de la détection, de la catalyse et des détecteurs de lumière polarisée circulaire à des perspectives plus lointaines en spintronique, en informatique quantique et en holographie", a déclaré Hanrath. + Explorer plus loin

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