La nature garde quelques secrets. Alors que de nombreuses structures à faible symétrie se trouvent dans la nature, les scientifiques se sont limités à des conceptions à haute symétrie lors de la synthèse de cristaux colloïdaux, un type précieux de nanomatériau utilisé pour la détection chimique et biologique et les dispositifs optoélectroniques.

Aujourd'hui, des recherches de la Northwestern University et de l'Université du Michigan ont tiré le rideau, montrant pour la première fois comment des cristaux colloïdaux à faible symétrie peuvent être fabriqués, y compris une phase pour laquelle il n'existe pas d'équivalent naturel connu.

"Nous avons découvert quelque chose de fondamental sur le système de fabrication de nouveaux matériaux", a déclaré Chad A. Mirkin de Northwestern. "Cette stratégie de rupture de symétrie réécrit les règles de conception et de synthèse des matériaux."

La recherche a été publiée aujourd'hui (13 janvier) dans la revue Nature Materials.

Mirkin est professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences; professeur de génie chimique et biologique, de génie biomédical et de science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering; et professeur de médecine à la Feinberg School of Medicine. Il est également le directeur fondateur de l'Institut international de nanotechnologie.

La recherche a été dirigée par Mirkin et Sharon C. Glotzer, directeur du département de génie chimique Anthony C. Lembke à l'Université du Michigan.

Les nanoparticules peuvent être programmées et assemblées en réseaux ordonnés connus sous le nom de cristaux colloïdaux, qui peuvent être conçus pour des applications allant des capteurs de lumière et des lasers aux communications et à l'informatique.

"L'utilisation de nanoparticules grandes et petites, où les plus petites se déplacent comme des électrons dans un cristal d'atomes métalliques, est une toute nouvelle approche pour construire des structures cristallines colloïdales complexes", a déclaré Glotzer.

Dans cette recherche, des nanoparticules métalliques dont les surfaces étaient recouvertes d'ADN de concepteur ont été utilisées pour créer les cristaux. L'ADN a agi comme un matériau de liaison codable, les transformant en ce qu'on appelle des équivalents d'atomes programmables (PAE). Cette approche offre un contrôle exceptionnel sur la forme et les paramètres des réseaux cristallins, car les nanoparticules peuvent être "programmées" pour s'organiser de manière spécifique, en suivant un ensemble de règles précédemment développées par Mirkin et ses collègues.

Cependant, jusqu'à présent, les scientifiques n'avaient aucun moyen de préparer des réseaux avec certaines symétries cristallines. Étant donné que de nombreux PAE sont isotropes - ce qui signifie que leurs structures sont uniformes dans toutes les directions - ils ont tendance à s'organiser en assemblages hautement symétriques et il est difficile de créer des réseaux à faible symétrie. Cela a limité les types de structures qui peuvent être synthétisées, et donc les propriétés optiques qui peuvent être réalisées avec elles.

La percée est venue grâce à une nouvelle approche du contrôle de la valence. En chimie, la valence est liée à la disposition des électrons autour d'un atome. Il détermine le nombre de liaisons que l'atome peut former et la géométrie qu'il adopte. S'appuyant sur une découverte récente selon laquelle les petits PAE peuvent se comporter comme des équivalents électroniques, parcourant et stabilisant les réseaux de plus grands PAE, les chercheurs du Northwestern et du Michigan ont modifié la valence de leurs équivalents électroniques en ajustant la densité des brins d'ADN greffés à leurs surfaces. /P>

Ensuite, ils ont utilisé une microscopie électronique avancée pour observer comment la modification de la valence des équivalents électroniques affectait leur distribution spatiale parmi les PAE et donc les réseaux résultants. Ils ont également examiné les effets des changements de température et de la modification du rapport des PAE aux équivalents d'électrons.

"Nous avons exploré des structures plus complexes où le contrôle du nombre de voisins autour de chaque particule produisait une rupture de symétrie supplémentaire", a déclaré Glotzer. "Nos simulations informatiques ont aidé à déchiffrer les modèles complexes et à révéler les mécanismes qui ont permis aux nanoparticules de les créer."

Cette approche a ouvert la voie à trois nouvelles phases cristallines synthétisées inédites. L'une, une structure triple double gyroïde, n'a pas d'équivalent naturel connu.

Ces cristaux colloïdaux à faible symétrie ont des propriétés optiques qui ne peuvent pas être obtenues avec d'autres structures cristallines et peuvent être utilisés dans un large éventail de technologies. Leurs propriétés catalytiques sont également différentes. Mais les nouvelles structures dévoilées ici ne sont que le début des possibilités maintenant que les conditions pour briser la symétrie sont comprises.

"Nous sommes au milieu d'une ère sans précédent de synthèse et de découverte de matériaux", a déclaré Mirkin. "Il s'agit d'un autre pas en avant dans la sortie de nouveaux matériaux inexplorés du carnet de croquis et dans des applications qui peuvent tirer parti de leurs propriétés rares et inhabituelles."

Glotzer est également professeur émérite d'ingénierie de l'Université John Werner Cahn, professeur collégial Stuart W. Churchill de génie chimique et professeur de science et d'ingénierie des matériaux, de science et d'ingénierie macromoléculaires et de physique à l'Université du Michigan. Byeongdu Lee du Laboratoire national d'Argonne est un auteur correspondant avec Mirkin et Glotzer. + Explorer plus loin

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