L’organisation de nanoparticules en forme de moulinet offre une nouvelle tournure aux matériaux d’ingénierie


Les chercheurs ont développé une nouvelle stratégie pour aider à construire des matériaux aux propriétés optiques, magnétiques, électroniques et catalytiques uniques. Ces structures en forme de moulinet s’auto-assemblent à partir de nanoparticules et présentent une caractéristique appelée chiralité – l’une des stratégies de la nature pour créer de la complexité dans des structures à toutes les échelles, des molécules aux galaxies.

La nature est riche en exemples de chiralité – ADN, molécules organiques et même mains humaines. En général, la chiralité peut être vue dans des objets qui peuvent avoir plus d’un arrangement spatial. Par exemple, la chiralité dans les molécules pourrait se présenter comme deux chaînes d’atomes qui ont la même composition, mais chacune ayant une « torsion » vers la gauche ou vers la droite dans leurs orientations spatiales, ont déclaré les chercheurs.

La nouvelle étude, dirigée par Qian Chen, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et Nicholas A. Kotov, professeur de génie chimique à l’Université du Michigan, étend la chiralité aux réseaux assemblés à partir de blocs de construction de nanoparticules. pour créer de nouveaux métamatériaux – des matériaux conçus pour interagir avec leur environnement pour remplir des fonctions spécifiques.

L’étude est publiée dans la revue La nature.

Les efforts visant à créer des réseaux chiraux à grande échelle à partir d’un assemblage spontané de nanoparticules ont rencontré un succès limité. Chen a déclaré que les études précédentes reposaient sur des modèles qui produisaient de très petites structures, limitant leur utilité dans la conception de métamatériaux.

« Dans la nouvelle étude, nous nous sommes inspirés des caractéristiques de rupture de symétrie des matériaux poreux pour assembler des réseaux reconfigurables à partir de nanoparticules en forme de pyramide inférieures à 100 nanomètres », a déclaré l’ancien chercheur postdoctoral de l’Illinois Shan Zhou, l’auteur principal des travaux et actuellement un professeur à la South Dakota School of Mines and Technology. « Le réseau résultant est suffisamment grand pour être vu à l’œil nu. »

Chen a déclaré que les modèles précédents n’avaient pas prédit un réseau de moulinet avec chiralité.

Dans cette étude, des prédictions basées sur la théorie des graphes et des calculs développés par les chercheurs postdoctoraux de Kotov et du Michigan, Ju Lu et Ji-Young Kim, ont prédit – à leur grande surprise – que la structure du réseau en moulinet, bien que de nature achirale, devient chirale sur un substrat.

« La nouvelle structure en treillis est fascinante du point de vue de la recherche, car elle invite à de nombreuses nouvelles opportunités d’étude à multiples facettes de leurs propriétés », a déclaré Kotov.

La technique de microscopie électronique en phase liquide de Chen – qui, selon elle, s’apparente à un « petit aquarium pour observer l’auto-assemblage des nanoparticules » – a joué un rôle déterminant dans cette étude.

Cependant, la fabrication de cette structure n’est pas venue par hasard, ont déclaré les chercheurs.

« Les modèles quantitatifs se sont avérés bien correspondre au processus d’assemblage dynamique observé dans le nanoaquarium du microscope électronique en phase liquide », a déclaré Jiahui Li, un étudiant diplômé de l’Illinois et co-auteur de l’étude.

« La microscopie électronique en phase liquide nous a permis d’aller encore plus loin dans l’assemblage du super-réseau », a déclaré Chen.

« Parce que nous pouvons observer et manipuler les interactions des nanoparticules en temps réel, nous pouvons régler avec précision leurs mouvements pour former la conception très complexe du moulinet », a déclaré Li.

En plus des techniques de microscopie électronique en phase liquide, le microscope électronique ultra-rapide du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie a fourni une compréhension unique des propriétés optiques des super-réseaux auto-assemblés à l’échelle nanométrique.

« Personne n’a été en mesure de voir directement les réponses chirales d’objets à une si petite longueur en utilisant d’autres techniques », a déclaré Haihua Liu, chercheur au Centre d’Argonne pour les matériaux à l’échelle nanométrique.

L’équipe prévoit que cette plate-forme d’imagerie sera utilisée pour caractériser un large éventail de nanoparticules et de structures auto-assemblées.

« En tant que théoricien travaillant sur tout ce qui concerne les nanoparticules, j’ai toujours été intéressé par la manière d’assembler des arrangements de nanoparticules chiraux », a déclaré Alex Travesset, professeur à l’Iowa State University, qui a effectué les calculs géométriques pour le réseau de moulinet. « Les comportements intéressants du treillis à moulinet peuvent aller au-delà de leurs réponses chiroptiques. »

Kai Sun, professeur au Michigan et co-auteur de l’étude, a déclaré que les treillis à moulinet peuvent reconfigurer leurs structures, une propriété potentiellement utile dans la conception de casques de combat et d’avions, par exemple.

Les chercheurs envisagent également d’utiliser cette nouvelle stratégie pour créer d’autres métarevêtements chiraux basés sur la bibliothèque existante de nanoparticules synthétiquement disponibles, et qu’elle permettra un espace de conception riche de surfaces métastructurées avec une activité chiroptique et des propriétés mécaniques.

« Nous pensons que cette méthode d’assemblage chiral supportée par un substrat peut bénéficier à l’ensemble de la communauté de recherche sur les nanomatériaux », a déclaré Kotov.

Chen est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux, à la chimie, au génie chimique et biomoléculaire, au Carl R. Woese Institute for Genomic Biology et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l’U. of I.

L’Office of Naval Research soutient cette recherche par le biais d’une initiative de recherche universitaire multidisciplinaire.

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