Pour la première fois, des scientifiques et des ingénieurs ont observé en temps réel comment deux types de nanoparticules constituées de matériaux différents se combinent pour former de nouveaux matériaux composites. Les résultats, rapportés par une équipe dirigée par l’Université de Pennsylvanie et l’Université du Michigan, pourraient aider les ingénieurs à mieux contrôler l’assemblage de matériaux combinant les propriétés souhaitables de chaque particule, telles que la photoluminescence, le magnétisme et la capacité de conduire l’électricité.

"Nous concevons de nouveaux matériaux qui combinent différents types de fonctions d'une manière qui n'est pas possible avec les matériaux dont nous disposons aujourd'hui", a déclaré Sharon Glotzer, directrice du département Anthony C. Lembke de génie chimique à l'Université du Michigan et co-auteure correspondante. de l'étude publiée dans Nature Synthesis .

Les structures composites sont un type de super-réseau de nanocristaux binaires et pourraient être utilisées pour des appareils électroniques, des dispositifs optiques, ainsi que pour la production et le stockage d'énergie.

"La combinaison de nanoparticules photoluminescentes et magnétiques, par exemple, pourrait permettre de changer la couleur d'un laser à l'aide d'un champ magnétique", a déclaré Emanuele Marino, co-premier auteur de l'article et ancien chercheur postdoctoral à l'Université de Pennsylvanie. /P>

Les ingénieurs créent généralement des super-réseaux binaires de nanocristaux en mélangeant des éléments constitutifs de nanoparticules dans une solution et en laissant sécher une gouttelette de la solution. À mesure que la gouttelette rétrécit, les particules se combinent pour former les superstructures souhaitées. Les ingénieurs ont ensuite frappé les cristaux avec des rayons X pour voir les structures nanocristallines résultantes. Chaque structure cristalline diffuse les rayons X selon un motif unique, qui sert d'empreinte digitale pour identifier les cristaux.

Observer comment ces cristaux s'assemblent en temps réel constitue un défi scientifique, car leur formation est trop rapide pour la plupart des techniques de diffusion des rayons X. Sans voir les étapes menant à la structure finale, les scientifiques se demandent comment leurs mélanges de nanocristaux conduisent à des superstructures.

"Déterminer comment ces matériaux réagissent les uns avec les autres nous permettra de construire une bibliothèque plus complète des structures qu'ils peuvent former lorsqu'ils se combinent", a déclaré Christopher Murray, professeur de chimie à l'Université Richard Perry de l'Université de Pennsylvanie et co-correspondant. auteur de l'étude.

L’équipe a créé les premières mesures de diffusion des rayons X en temps réel des super-réseaux en ralentissant le processus d’assemblage et en utilisant des techniques de diffusion des rayons X plus rapides à l’aide de la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory à Upton, New York.

"Le flux élevé de rayons X et la collecte rapide de données de l'installation pourraient suivre la vitesse à laquelle les cristaux se sont formés", a déclaré Esther Tsai, scientifique au Laboratoire national de Brookhaven et co-auteur de l'étude.

Pour ralentir l'assemblage du réseau, les chercheurs ont mélangé différentes nanoparticules dans une émulsion d'huile, presque comme une vinaigrette magnétique, puis ont placé l'émulsion dans l'eau. Le mélange de nanoparticules rétrécit à mesure que l'huile se diffuse dans l'eau, mais beaucoup plus lentement que la méthode conventionnelle de séchage à l'air.

Après une phase initiale de croissance rapide qui dure jusqu'à cinq minutes, les nanocristaux se rassemblent en expulsant lentement le reste de l'huile restante en trois à cinq heures.

Observer les cristaux naissants a permis à l'équipe de l'Université du Michigan d'en dériver la physique expliquant comment les réseaux se sont formés, en modélisant le processus avec des simulations informatiques.

"Grâce aux informations temporelles issues des expériences, nous pouvons construire un modèle prédictif qui reproduit non seulement la structure finale, mais également l'ensemble du processus d'assemblage de la structure", a déclaré Sharon Glotzer, directrice du département Anthony C Lembke de génie chimique à l'Université du Michigan et co- auteur correspondant de l'étude.

L'équipe a découvert que l'assemblage binaire de super-réseaux de nanocristaux se produit par des attractions à courte portée entre les éléments constitutifs des nanoparticules, quel que soit le type de nanoparticules utilisé, et "a en outre confirmé qu'aucune phase intermédiaire ne s'est formée avant le cristal final et que la surface des gouttelettes d'émulsion ne s'est formée". ne joue aucun rôle dans la formation du cristal", a déclaré Allen LaCour, ancien doctorant en génie chimique à l'Université du Michigan et co-premier auteur de l'étude.

Sans autres facteurs explicatifs, les simulations ont conclu que la force des interactions nanocristaux est le principal facteur qui détermine la structure du super-réseau dans les gouttelettes en retrait. La force d'interaction peut être modifiée en fonction de la taille et de la charge électrique des particules, ou en ajoutant certains éléments aux particules. Les modèles informatiques de l'équipe U-M peuvent simuler les impacts de ces changements.

Plus d'informations : Emanuele Marino et al, Cristallisation de super-réseaux binaires de nanocristaux et pertinence de l'attraction à courte portée, Nature Synthesis (2023). DOI :10.1038/s44160-023-00407-2

Informations sur le journal : Synthèse naturelle

Fourni par l'Université du Michigan