L’illustration structurelle montre la double glande thyroïde, une nouvelle structure cristalline découverte par des chercheurs de l’Université Northwestern, de l’Université du Michigan et du Laboratoire national d’Argonne. Il n’a jamais été trouvé dans la nature ou synthétisé auparavant. Les sphères transparentes en rouge, vert et bleu montrent les emplacements des grosses nanoparticules. Chaque couleur représente une structure thyroïdienne double. Les sphères et bâtons gris foncé montrent les emplacements des plus petites particules de type électron dans l’un des trois types d’emplacements où elles apparaissent. La formation de cette nouvelle structure cristalline est le résultat de la façon dont les nanoparticules de type électron contrôlent le nombre de voisins autour des nanoparticules plus grosses. Crédit image : Sangmin Lee, Groupe Glotzer
Des cristaux complexes qui imitent les métaux, y compris une structure qui n’a pas d’équivalent naturel, peuvent être obtenus avec une nouvelle approche d’auto-assemblage direct de nanoparticules.
Plutôt que de simples nanoparticules agissant comme « équivalents atomiques », les cristaux produits et interprétés par l’Université Northwestern, l’Université du Michigan et le Laboratoire national d’Argonne reposent sur des particules plus petites qui imitent les électrons.
« Nous avons appris quelque chose de fondamental sur le système de fabrication de nouveaux matériaux », a déclaré Northwestern. Tchad Mirkin, professeur de chimie par George B. « Cette stratégie de rupture de symétrie réécrit les règles de la conception et de la synthèse des matériaux. »
Les nanoparticules ont le potentiel de permettre de nouveaux matériaux avec des propriétés qui peuvent être soigneusement conçues, mais l’un des grands défis consiste à faire en sorte que ces matériaux s’auto-assemblent. Les nanoparticules sont trop petites et nombreuses pour être construites brique par brique.
Les cristaux colloïdaux sont un groupe de réseaux auto-assemblés constitués de nanoparticules, avec des applications potentielles en photonique. Les cristaux capables de transformer la lumière peuvent être conçus pour tout, des capteurs de lumière et des lasers aux communications et à l’informatique.
« L’utilisation de nanoparticules grandes et petites, où les plus petites se déplacent comme des électrons dans un cristal d’atomes métalliques, est une approche entièrement nouvelle pour construire des structures cristallines colloïdales complexes », a-t-il déclaré. Sharon Glotzer, et président du département de génie chimique Anthony C. Lempke à l’UM et co-auteur.
L’équipe de Mirkin a créé des cristaux colloïdaux en enrobant des nanoparticules métalliques d’ADN pour les faire coller les unes aux autres. Les brins d’ADN s’auto-intègrent, ce qui signifie qu’ils sont liés entre eux. En ajustant des paramètres tels que la longueur de l’ADN et la densité de l’encapsulation des nanoparticules, les nanoparticules métalliques peuvent être « programmées » pour s’organiser de manière spécifique. En conséquence, elles sont appelées équations atomiques programmables.
Cependant, les « atomes » de ce cristal – des boules avec un revêtement uniforme d’ADN – sont les mêmes dans toutes les directions, ils ont donc tendance à construire des structures identiques. Pour construire des structures moins symétriques, ils avaient besoin de quelque chose pour briser la symétrie.
« En s’appuyant sur la découverte antérieure par le Tchad des« équations électroniques »avec Monica Olvera de la Cruz de Northwestern, nous avons découvert des structures plus complexes où le contrôle du nombre de particules voisines autour de chaque particule brisait davantage la symétrie», a déclaré Glotzer.
Des billes métalliques plus petites, avec moins de brins d’ADN pour les rendre moins visqueuses, finissent par agir comme des électrons dans l’arrangement des « atomes » de nanoparticules plus grosses. Ils ont erré à l’intérieur de la structure, s’installant dans le réseau de grosses nanoparticules. L’équipe de Mirkin a modifié la viscosité des nanoparticules « électroniques » pour obtenir différentes structures, ainsi que la température et le rapport des « atomes » et des « électrons » des nanoparticules.
Ils ont analysé ces structures à l’aide d’études de diffusion des rayons X aux petits angles menées avec B.Youngdo Lee, physicien au Laboratoire national d’Argonne et co-auteur. Ces données ont révélé trois structures complexes à faible symétrie. Le premier, dont les tunnels torsadés sont connus sous le nom de structure à double triplet, n’a pas d’équivalent naturel connu.
Ces nouveaux cristaux colloïdaux à faible symétrie offrent des propriétés optiques et catalytiques qui ne peuvent pas être obtenues avec d’autres cristaux, et la méthode de rupture de symétrie promet de nombreuses nouvelles structures. L’équipe de Glotzer a développé des simulations informatiques pour recréer les résultats de l’auto-assemblage, aidant à déchiffrer des modèles complexes et à révéler les mécanismes qui ont permis aux nanoparticules de se former.
« Nous sommes au milieu d’une ère sans précédent de découverte de matériaux », a déclaré Mirkin. « C’est un autre pas en avant pour intégrer de nouveaux matériaux inexplorés du carnet de croquis dans des applications qui peuvent tirer parti de ses propriétés étonnantes. »
L’étude a été financée principalement par le Center for Bioinspired Energy Sciences, un centre de recherche Energy Frontiers financé par le département américain de l’Énergie, ainsi que par l’Air Force Office of Scientific Research et la Sherman Fairchild Foundation.
Mirkin est également professeur de génie chimique, biologique, biomédical et de science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering. et professeur de médecine à la Feinberg School of Medicine. Il est également le directeur fondateur de l’Institut international de nanotechnologie. Glotzer est également professeur distingué d’ingénierie John Werner Kahn, professeur de génie chimique Stuart W. Churchill et professeur de science et génie des matériaux, de science et d’ingénierie macromoléculaires et de physique à M.
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