Les mésocristaux sont une classe de solides formés par l'arrangement régulier de nanocristaux, qui sont de minuscules nanoparticules qui ont des propriétés uniques en raison de leur petite taille. Dans les mésocristaux, ceux-ci prennent une forme superordonnée hautement organisée dans une grille dense. Une équipe de recherche germano-suisse dirigée par le professeur Helmut Cölfen, un chimiste de Constance, a réussi à synthétiser des mésocristaux particulièrement complexes aux propriétés chimiques et physiques largement inconnues et à faire la lumière sur leur structure.

Qu'y a-t-il de si spécial ? Deux nanocristaux différents - des cubes de platine et de magnétite - sont les éléments de base des nouveaux solides qui s'auto-assemblent en une superstructure tridimensionnelle. Jusqu'à présent, les mésocristaux de deux blocs de construction de base différents, appelés mésocristaux binaires, ne pouvaient être produits que sous forme de structures bidimensionnelles.

La voie de synthèse et la caractérisation structurale des mésocristaux binaires 3D de nanocristaux de platine et de magnétite viennent d'être décrites dans la revue Angewandte Chemie International Edition . Les résultats de l'étude sont la première étape vers un "système de jeu de construction" potentiel qui pourrait permettre à l'avenir de combiner les propriétés de différents nanocristaux de manière ciblée et de les transférer dans le micro-monde plus gérable - résultant en une multitude des avantages et des applications possibles.

La nanotechnologie dans la Rome antique

Les éléments constitutifs de base des mésocristaux sont les nanocristaux. En raison de leur petite taille, qui peut être encore plus petite que celle des virus, ils présentent des propriétés uniques qui font défaut aux particules plus grosses du même matériau. Cela inclut "l'effet de taille quantique" au son compliqué, qui peut être observé dans les nanoparticules semi-conductrices d'un diamètre de l'ordre du nanomètre, ce qui entraîne une couleur dépendante de la taille, qui joue un rôle important dans la production de LED, entre autres. Un autre exemple est l'effet de résonance plasmon de surface, qui confère aux nanoparticules métalliques des propriétés optiques dépendant de la taille.

L'humanité a utilisé certaines de ces nano-propriétés dès l'époque de l'Empire romain. Un exemple célèbre est la coupe Lycurgus du IVe siècle, aujourd'hui exposée au British Museum, dont les éléments en verre changent de couleur en fonction de l'incidence de la lumière et de l'angle de vue. La raison :le verre de la tasse est imprégné de nanoparticules d'or et d'argent qui démontrent l'effet de résonance plasmon de surface. Les couleurs fortes et durables des fenêtres des églises médiévales sont également basées sur cet effet, car des nanoparticules d'or sont coulées dans le verre des fenêtres.

Le meilleur de deux mondes

"En créant des mésocristaux à partir de nanocristaux, il est désormais possible de transférer ces propriétés et d'autres, qui étaient auparavant réservées aux plus petits solides, à des solides dont la taille est de l'ordre du micromètre", explique Helmut Cölfen, professeur de chimie physique à l'Université de Constance et responsable du projet de recherche. "Cela fait des mésocristaux des objets extrêmement intéressants dans la recherche sur les matériaux."

L'échelle micrométrique comprend des objets jusqu'à 100 000 fois plus gros que les nanoparticules, ce qui est encore très petit, mais fait une énorme différence dans la maniabilité des particules. Par exemple, les particules dont la taille est de l'ordre du micromètre peuvent être bien mieux filtrées que les nanoparticules. Dans le cas de solides tels que les mésocristaux, cela élimine également un inconvénient décisif des nanoparticules :leur toxicité potentielle. Dans le passé, les nanoparticules sont devenues de plus en plus au centre de la recherche en santé, car elles peuvent facilement pénétrer dans le corps par la peau, les aliments ou la respiration lorsqu'elles ne sont pas liées. "En raison de leur petite taille, les nanoparticules peuvent surmonter d'importantes barrières protectrices du corps humain. Les mésocristaux nettement plus grands, en revanche, ne le peuvent pas", déclare Helmut Cölfen.

Atteindre l'objectif avec patience

Comme décrit dans l'étude actuelle, afin de produire les mésocristaux binaires 3D jusqu'à présent uniques à partir de nanocristaux de platine et de magnétite décrits dans l'étude actuelle, ces blocs de construction de base en forme de cube sont d'abord placés dans un solvant et une dispersion est créée. Le rapport de mélange joue ici un rôle décisif et se reflète ensuite dans la composition du mésocristal. "Si nous devions prendre une goutte du mélange de blocs de construction et laisser simplement le solvant s'évaporer, nous obtiendrions également un mésocristal binaire, mais il serait bidimensionnel au lieu de tridimensionnel. Par conséquent, nous avons dû proposer quelque chose de nouveau. pour créer des mésocristaux tridimensionnels », rapporte Helmut Cölfen.

La clé du succès :la décélération. A cet effet, la dispersion avec les nanocristaux est placée dans un récipient fermé supplémentaire contenant un produit chimique dans lequel les nanocristaux ne peuvent pas se dissoudre, un "non-solvant", pour ainsi dire. Après cela, il vous suffit d'attendre et de voir. Lentement, au cours de plusieurs jours, le non-solvant s'évapore progressivement et se mélange de plus en plus à la dispersion de nanocristaux. "À un moment donné, les nanocristaux commencent à interagir en s'accrochant les uns aux autres en raison de l'augmentation du non-solvant dans la dispersion. Normalement, quelque chose comme cela se produit rapidement et de manière incontrôlable. En étendant le processus via l'évaporation du non-solvant sur plusieurs jours et ne réduisant ainsi l'effet du solvant réel que progressivement au lieu de soudainement, le processus est beaucoup plus contrôlé. Le résultat de notre méthode est de "gros" mésocristaux tridimensionnels", explique Helmut Cölfen.

De nouvelles propriétés inexplorées émergent

Après que les chimistes de Constance dirigés par Helmut Cölfen aient synthétisé avec succès les mésocristaux tridimensionnels, ils ont caractérisé leur structure exacte en coopération avec des collègues suisses du Centre d'analyse par rayons X des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux (Empa) à Saint-Pétersbourg. Gallen et l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villingen. Ils ont pu démontrer que de véritables mésocristaux binaires tridimensionnels de nanocristaux de platine et de magnétite se forment au cours de la synthèse. Jusqu'à présent, les chercheurs ne peuvent que spéculer sur les propriétés physiques et chimiques complètes de ces nouveaux solides.

La combinaison des deux propriétés donnerait alors un très bon catalyseur chimique grâce au composant platine, qui à son tour pourrait être facilement séparé et récupéré avec un aimant après utilisation grâce au composant magnétite. Le platine, un matériau précieux, ne serait pas perdu. Cependant, les mésocristaux préservent non seulement les propriétés des nanocristaux qu'ils contiennent, mais ils possèdent également des propriétés qui vont au-delà de celles de leurs éléments constitutifs individuels. "Lorsque les nanocristaux individuels interagissent et se couplent dans la structure superordonnée du mésocristal, des propriétés collectives complètement nouvelles sont créées que les particules individuelles elles-mêmes n'ont pas du tout", explique Helmut Cölfen avec enthousiasme et poursuit :"Explorer celles-ci en détail à l'avenir sera extrêmement excitant."

La première étape vers un système de kit de construction potentiel

La production de mésocristaux tridimensionnels à partir de nanocubes de platine et de magnétite n'est pas la fin de l'histoire. Au contraire, l'objectif est de combiner d'autres nanocristaux également à l'avenir en utilisant le procédé développé. Selon les chercheurs, leurs résultats sont plutôt la première étape vers un système de kit de construction potentiel :"Notre objectif est d'affiner la méthode afin que, idéalement, une grande variété de nanocristaux et leurs propriétés puissent être combinées de la manière que nous voulons - genre comme des briques LEGO", Helmut Cölfen donne un aperçu et poursuit avec un sourire :"Le mésocristal de magnétite de platine serait alors la première petite tour, pour ainsi dire, que nous avons construite à partir de nos pierres."

« Produire des structures comme nos mésocristaux binaires tridimensionnels était précisément l'un des objectifs de ce centre de recherche collaborative. Ce que nous devons faire maintenant, c'est caractériser les interactions entre les nanoblocs de construction et étudier les nouvelles propriétés qui en résultent », conclut Helmut Colfen. + Explorer plus loin

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