Les capacités uniques des nanoparticules en font des matériaux lucratifs pour un large éventail d’applications, tant à des fins de recherche qu’à des fins industrielles. Cependant, y parvenir devient difficile en raison de l'absence de technique permettant un transfert rapide et uniforme d'une monocouche de nanoparticules, ce qui est crucial pour la fabrication du dispositif.

Une solution possible à ce dilemme consiste à adopter des processus d'assemblage électrostatique dans lesquels les nanoparticules s'attachent à une surface de charge opposée et, une fois qu'une monocouche est formée, les nanoparticules s'auto-limitent ensuite en repoussant les autres nanoparticules de charge similaire loin de la surface. Malheureusement, ce processus peut prendre beaucoup de temps.

Alors que les méthodes artificielles luttent contre ces inconvénients, les processus d'adhésion sous-marine trouvés dans la nature ont évolué vers des stratégies uniques pour surmonter ce problème.

À cet égard, une équipe de chercheurs de l’Institut des sciences et technologies de Gwangju, dirigée par un Ph.D. l'étudiant Doeun Kim (premier auteur) et le professeur adjoint Hyeon-Ho Jeong (auteur correspondant), ont développé une technique d'assemblage de nanoparticules en un seul coup "inspirée des moules" qui transporte des matériaux de l'eau dans des volumes microscopiques vers des tranches de 2 pouces en 10 secondes, tout en permettant un assemblage monocouche 2D avec une excellente couverture de surface d'environ 40 %.

Leurs travaux ont été publiés dans Advanced Materials. et mis en valeur en frontispice.

"Notre approche clé pour surmonter le défi existant est venue d'une observation sur la façon dont les moules atteignent la surface cible contre l'eau. Nous avons vu que les moules émettent simultanément des acides aminés pour dissocier les molécules d'eau à la surface, permettant ainsi une fixation rapide de l'adhésif chimique sur la surface cible. ", explique Mme Kim, parlant de la motivation derrière cette approche unique inspirée par la nature.

"Nous avons réalisé qu'il s'agissait d'une situation analogue dans laquelle nous introduisons un excès de protons pour éliminer les groupes hydroxyles de la surface cible, augmentant ainsi la force d'attraction électrostatique entre les nanoparticules et la surface et accélérant le processus d'assemblage."

Les chercheurs ont conçu le potentiel électrostatique de surface de la surface cible et des nanoparticules, piloté par la dynamique des protons. Cela a conduit les nanoparticules à se fixer uniformément sur la surface cible en quelques secondes.

Pour tester l’efficacité de l’introduction de l’ingénierie protonique dans le processus d’assemblage électrostatique, l’équipe a comparé le temps d’assemblage monocouche avec les techniques conventionnelles utilisées. Les résultats ont indiqué que la vitesse de revêtement de la nouvelle technique était 100 à 1 000 fois plus rapide que celle des méthodes précédemment rapportées. La raison derrière cette diffusion et cet assemblage accélérés de nanoparticules était liée à la capacité des protons à éliminer les groupes hydroxyles indésirables sur la zone cible.

Les chercheurs ont en outre découvert que la nature sensible à la charge du processus sous-jacent permet une « guérison » déterministe des films monocouches et un nanomodelage « pick-and-place » à l’échelle de la tranche. En outre, la technique proposée permet également la fabrication d'une métasurface réfléchissante en couleur au niveau de la tranche via une architecture plasmonique, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour la production de peintures en couleur et de dispositifs de cryptage optique.

Cette nouvelle preuve de concept inspirée de la nature constitue une étape majeure vers une large acceptation des matériaux monocouches de nanomatériaux fonctionnels.

"Nous envisageons que cette recherche accélérera l'impact des nanomatériaux fonctionnels sur nos vies et fera progresser la production de masse de films monocouches, facilitant ainsi un large éventail d'applications, allant des dispositifs photoniques et électroniques aux nouveaux matériaux fonctionnels pour les applications énergétiques et environnementales. ", conclut le professeur Jeong.