La nature aime clairement la symétrie. Regardez vos propres mains, par exemple. Mais parfois la nature produit des choses asymétriques, et les raisons ne sont pas toujours claires.

Matthew Jones, chimiste de l'Université Rice, et son équipe ont cherché des réponses à ces questions sur les nanoparticules utiles - et semblent maintenant en avoir une.

Une nouvelle étude de Jones, de l'auteur principal et chercheur postdoctoral Muhua Sun et des étudiants diplômés Zhihua Cheng et Weiyin Chen démontre comment la rupture de symétrie pendant la croissance des particules forme de manière fiable des nanocristaux de tétraèdre d'or en forme de pyramide.

Dans la rupture de symétrie, de petites fluctuations dans un système en développement déterminent le destin du système. Dans ce cas, cela s'applique à la croissance de cristaux à partir de graines à l'échelle nanométrique qui commencent par un réseau atomique symétrique.

Les chercheurs de Rice ont montré comment l'équilibrage des forces thermodynamiques et cinétiques pendant le processus de cristallisation peut être utilisé pour incliner la croissance des particules dans la direction souhaitée. Leur découverte ouvre également la voie à l'utilisation de nanoparticules asymétriques comme blocs de construction pour des métamatériaux uniques.

L'étude publiée dans la revue de l'American Chemical Society ACS Nano découle de travaux soutenus par la bourse Packard de Jones, accordée en 2018 pour l'aider à poursuivre ses recherches sur la microscopie électronique à transmission de cellules liquides (TEM).

La technique développée par Jones et son laboratoire permet aux chercheurs d'observer la formation de nanoparticules métalliques uniques dans un liquide à travers une fenêtre suffisamment grande pour permettre le passage des électrons. En général, les microscopes électroniques à transmission fonctionnent dans un vide poussé et évaporent simplement les liquides exposés.

Les chercheurs ont noté que les nanoparticules en forme de tétraèdre sont souvent trouvées comme sous-produits d'autres processus, mais leur fabrication délibérée en laboratoire s'est avérée être un défi.

"Si une particule est un monocristal, elle hérite généralement de la symétrie du réseau", a déclaré Jones. "Et les cristaux ont tendance à être hautement symétriques, comme des cubes ou des dodécaèdres ou octaèdres rhombiques. Mais il y a aussi ces étranges valeurs aberrantes que certaines personnes voient qui ont mystérieusement une symétrie inférieure à celle du réseau parent."

La nouvelle étude est la première du laboratoire de Jones à montrer à quel point la technique de la cellule liquide fonctionne. La capacité de faire circuler un fluide contenant des ligands et des précurseurs à travers la cellule pendant qu'ils regardent leur a permis de se concentrer sur le point où la croissance s'égare et redirige la symétrie du produit final de nanoparticules.

La clé semblait être la vitesse de croissance et les conditions dans lesquelles les atomes d'or avaient tendance à se fixer aux particules au niveau de leurs extrémités et de leurs bords plutôt qu'aux faces thermodynamiquement favorisées.

"Maintenant que nous sommes en mesure de filtrer une gamme de conditions, nous avons pu voir un spectre avec une croissance cinétique à une extrémité et un équilibre à l'autre", a déclaré Jones. "La croissance cinétique est rapide et les saillies se développent très rapidement et ce n'est pas très bien contrôlé. À l'équilibre, la croissance est lente et le système fait ce qu'il veut faire, c'est-à-dire maintenir la symétrie.

"Mais la cellule liquide TEM nous a permis de changer une variable à la volée et de voir le comportement au milieu, où nous pouvions voir cette étrange symétrie se briser et une particule de tétraèdre bien définie sortir. Nous avons donc conclu que cela devait être un équilibre entre facteurs d'équilibre et cinétique."

Jones a déclaré comprendre que l'équilibre fondamental "devrait être généralisable à une variété d'autres conditions."

Il a déclaré que la découverte établit également la MET à cellules liquides comme un outil précieux pour l'observation et l'analyse des processus chimiques dynamiques, éliminant potentiellement beaucoup d'essais et d'erreurs dans la synthèse de particules pour la biomédecine, la catalyse ou la nanophotonique.

"Il n'y a rien de tel que de pouvoir regarder tout ce qui se passe", a-t-il déclaré. "C'est ce que fait cette technique. Vous ne tirez pas de photons sur quelque chose et vous devez ensuite faire un tas d'analyses pour interpréter les résultats. Vous observez simplement le processus. Voir, c'est croire." + Explorer plus loin

Origine de la brisure de symétrie dans la croissance médiée par les graines de nano-hétérostructures bimétalliques