Les nanoparticules sont extrêmement petites – aussi petites qu’un nanomètre ou un milliardième de mètre – et suscitent un vif intérêt pour les scientifiques des matériaux en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. Ils ne peuvent pas être détectés à l'œil nu et nécessitent un microscope électronique hautement spécialisé pour être vus.
En fait, les progrès des technologies d'imagerie au cours des années 1990 et au début des années 2000 sont ce qui a rendu le domaine des nanosciences possible, explique Anne Bentley, membre du corps professoral du département de chimie du Lewis &Clark College de Portland, Oregon.
"Je pense qu'une grande partie de la chimie dépasse le domaine de ce que les gens peuvent tenir entre leurs mains", dit-elle. "Vous pouvez obtenir des preuves de ce qui se passe, mais vous enquêtez toujours sur quelque chose qui est à une échelle trop petite pour que vos yeux puissent le voir. Tout ce que vous pouvez faire pour l'agrandir est utile."
C’est exactement ce que Bentley a fait en créant des modèles 3D des formes géométriques les plus simples formées par les nanoparticules. Elle a mis à disposition les instructions pour créer ces modèles, soit avec du papier, soit avec du matériel d'impression 3D, dans le cadre d'un article qu'elle a co-écrit et publié dans le Journal of Chemical Education. , intitulé "Une introduction aux plans de réseau, aux facettes cristallines et au contrôle de la forme des nanoparticules."
Les nanoparticules se présentent sous différentes formes géométriques et sont cristallines ou composées d'atomes disposés selon un motif qui se répète en trois dimensions. Les formes présentent des surfaces planes, appelées plans ou facettes, semblables aux tailles d'une pierre précieuse. La disposition des atomes sur ces surfaces cristallines influence les propriétés particulières du matériau, explique Bentley.
"Les formes dérivent de cet assemblage d'atomes", dit-elle. "La motivation pour créer différentes formes dépend en réalité de la disposition des atomes lorsque le matériau est découpé de différentes manières sur différents plans cristallins."
Dans cet article, Bentley se concentre sur les formes à faible indice, qu'elle décrit comme les trois façons les plus simples de découper la structure.
"Il existe des façons bien plus complexes de le découper, mais voici les trois façons fondamentales de le faire, en les créant soit à six, huit ou douze côtés :des cubes, des octaèdres ou des dodécaèdres rhombiques. C'était un choix naturel de se concentrer sur ces trois-là pour l'article."
"Les nanosciences sont un sujet qui se situe à la fois entre la chimie et la physique dans le programme d'études, mais également entre la recherche au niveau du premier cycle et des cycles supérieurs", explique Bentley.
"Il est important que les chimistes des matériaux débutants aient une compréhension fondamentale des plans cristallins, des facettes et des directions de croissance. Ils doivent également comprendre le système de notation à trois chiffres utilisé pour indexer ces attributs, connu sous le nom d'indices de Miller. Sinon, ce système peut ressemble à un mystérieux fouillis de chiffres."
Elle a estimé qu'il était important de fournir une base de connaissances dans un format accessible qui pourrait aider les éducateurs à introduire ce domaine important et en pleine croissance. Bien que des structures plus complexes que les modèles imprimés en 3D puissent être créées numériquement via des programmes de simulation informatique, Bentley estime qu'il y a des avantages à pouvoir tenir les modèles entre vos mains.
"J'aime les choses que je peux regarder et auxquelles je peux réfléchir", dit-elle, ajoutant que les modèles 3D sont particulièrement utiles pour comprendre ce sujet clé des nanosciences.
Cultiver des particules d'or pour convertir le dioxyde de carbone
Dans le laboratoire de Bentley, elle et ses étudiants travaillent sur la manipulation d'atomes d'or dans des flacons de liquide pour contrôler la forme des nanoparticules.
"Il faut simplement créer les bonnes conditions aux bonnes températures, tout un environnement propice à la croissance d'une forme particulière", dit-elle.
Bentley étudie les nanoparticules d'or, qui se distinguent par leurs propriétés catalytiques ou leur capacité à accélérer les réactions chimiques. La façon dont le matériau est découpé expose différents modèles d’atomes, explique-t-elle. Des recherches antérieures ont identifié qu'une forme particulière de nanoparticules d'or, les dodécaèdres rhombiques à 12 côtés, est plus efficace pour convertir le dioxyde de carbone en matériaux combustibles.
"C'est comme le recyclage", explique Bentley. "Non seulement cette forme de nanoparticules permet aux chercheurs d'éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère, mais elle leur permet également de le reconvertir en une sorte de carburant pouvant être utilisé. Donc, si nous pouvons faire croître des particules qui ont uniquement cette facette, c'est un réel avantage."
Plus d'informations : Anne K. Bentley et al, Une introduction aux plans de réseau, aux facettes cristallines et au contrôle de la forme des nanoparticules, Journal of Chemical Education (2023). DOI :10.1021/acs.jchemed.3c00371
Informations sur le journal : Journal d'éducation chimique
Fourni par Lewis &Clark College
