doctorat L'étudiante Marloes Bistervels du groupe de recherche sur la matière auto-organisatrice de l'AMOLF a réussi à utiliser la lumière pour contrôler très précisément la formation de nanocomposites en forme de coraux et de vases. En illuminant une solution des bons ingrédients avec de la lumière UV, elle peut contrôler où, quand et quelles structures apparaissent à l'échelle du micromètre. Aujourd'hui, elle publie ses découvertes dans la revue scientifique Advanced Materials .

Depuis plusieurs années, le groupe produit de belles structures cristallines à l'échelle nanométrique qui vont des coraux et des vases aux hélices. Ces structures se forment spontanément à partir de divers produits chimiques dans un processus appelé auto-assemblage. Leur forme dépend de la quantité et du type de substances mélangées. La recherche vise à comprendre et à contrôler le processus.

Il y a eu un certain succès à cet égard. Par exemple, les chercheurs peuvent choisir s'ils veulent produire un corail ou un vase, mais pas où ni quand la croissance commence. "Le processus contient encore une forme de chaos. Cela reste un processus spontané sur lequel nous aimerions mieux contrôler", déclare le chef de groupe Wim Noorduin. Bistervels a maintenant montré que la lumière est tout à fait appropriée pour y parvenir. Avec un rayon étroit de lumière UV, elle peut influencer très précisément et sélectivement une réaction chimique à l'échelle du micromètre.

Commutateur pour réaction chimique

Les structures fluorescentes produites par les chercheurs résultent d'une simple réaction chimique. Ce sont des composites de deux substances :le carbonate de baryum et le silicium. Dès que des cristaux de carbonate de baryum se forment dans la solution, le silicium se joint et précipite avec les cristaux, donnant ainsi naissance à des formes inhabituelles. Un tout petit peu de CO₂ le gaz dans la solution démarre ce processus. Si l'on pouvait s'assurer que le CO₂ survient à l'endroit et à l'heure exacts souhaités, cela entraînerait un interrupteur marche-arrêt pour la réaction chimique.

Nous avons maintenant cet interrupteur. En éclairant la solution avec une lampe UV (similaire à celle d'un lit de bronzage), l'un des produits chimiques de la solution se décompose et forme du CO₂ à l'endroit exact où la lumière brille.

Microscope unique

Bistervels a rapidement vu que son idée fonctionnait, mais que le microscope standard qu'elle voulait utiliser pour rendre visibles les structures fluorescentes ne fonctionnait pas bien en combinaison avec la lampe UV. Elle a donc construit un microscope spécial avec les techniciens Marko Kamp et Hinco Schoenmaker. Avec ce microscope, il est possible de contrôler très précisément la lumière UV, même à distance depuis chez soi. On peut immédiatement voir les cristaux formés au microscope et, si nécessaire, ajuster le processus d'auto-assemblage. Fred Brouwer, professeur de photochimie à l'Université d'Amsterdam, a aidé les chercheurs avec ses connaissances sur la lumière et les réactions chimiques. "Grâce à ces collaborations uniques, nous avons pu combiner les forces des chimistes et des physiciens. J'ai beaucoup appris de cela", déclare Bistervels.

Bistervels a démontré qu'avec cette approche, on peut exercer un contrôle considérable sur les structures qui se forment. Elle a construit une hélice et un corail proches l'un de l'autre, simplement en déplaçant légèrement le rayon de lumière et en faisant un ajustement mineur à la réaction chimique. De plus, elle a démontré qu'un très grand nombre de cristaux peuvent être produits les uns à côté des autres selon un motif. "Ces expériences ne sont pas anodines", dit-elle. "Vous avez besoin de conditions différentes et d'un contrôle multiforme sur le temps et l'emplacement."

L'expérience la plus particulière consistait à tracer une ligne, déclarent les chercheurs. Bien que cela puisse sembler n'avoir rien de spectaculaire, Bistervels déclare :"Cela démontre à quel point nous avons le contrôle. Apprivoiser la direction dans laquelle les cristaux se développent est une réalisation incroyable. Vous contrôlez un processus à l'échelle nanométrique et voyez le résultat à l'œil nu. "

Maîtriser la biominéralisation

Les structures sont plus qu'un simple spectacle à voir. En apprenant comment ils peuvent utiliser la lumière pour contrôler le développement des structures, les chercheurs ont acquis des connaissances importantes sur l'auto-assemblage. « Nous pouvons appliquer les méthodes pour manipuler des réactions chimiques locales à des systèmes d'auto-assemblage similaires. De plus, nous voyons des possibilités d'utiliser ces nouvelles méthodes pour mieux comprendre la biominéralisation dans la nature, comme la formation d'os », explique Noorduin.

Dans un autre projet, le groupe Self-Organizing Matter a réussi à convertir les cristaux en semi-conducteurs. Ce sont des matériaux vitaux pour les cellules solaires, les LED et les puces informatiques. Noorduin explique :« Si nous pouvons produire des semi-conducteurs de n'importe quelle forme sans avoir besoin d'une salle blanche coûteuse et complexe, cela offrirait des possibilités intéressantes. Un exemple est la fabrication de composants électroniques par auto-assemblage. Nous étudions donc actuellement comment nous pouvons contrôler les structures tridimensionnelles, de sorte que nous puissions ensuite produire des modèles." + Explorer plus loin

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