Pendant des décennies, un processus classique connu sous le nom de « maturation d’Ostwald », du nom du chimiste lauréat du prix Nobel Wilhelm Ostwald, a guidé la conception de nouveaux matériaux, y compris des nanoparticules – de minuscules matériaux si petits qu’ils sont invisibles à l’œil nu.
Selon cette théorie, les petites particules se dissolvent et se redéposent à la surface des grosses particules, et les grosses particules continuent de croître jusqu’à ce que toutes les petites particules se soient dissoutes.
Mais maintenant, de nouvelles séquences vidéo capturées par des scientifiques de Berkeley Lab révèlent que la croissance des nanoparticules n’est pas dirigée par une différence de taille, mais par des défauts.
Les scientifiques ont récemment rapporté leurs découvertes dans la revue Communication Nature.
« C’est une étape importante. Nous réécrivons la chimie des manuels, et c’est très excitant », a déclaré l’auteur principal Haimei Zheng, scientifique principal à la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et professeur auxiliaire de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley.
Pour l’étude, les chercheurs ont suspendu une solution de nanoparticules de sulfure de cadmium (CdS) avec du chlorure de cadmium (CdCl2) et du chlorure d’hydrogène (HCl) dans un porte-échantillon liquide personnalisé. Les chercheurs ont exposé la solution avec un faisceau d’électrons pour produire des nanoparticules noyau-enveloppe Cd-CdCl2 (CSNP) – qui ressemblent à des disques hexagonaux plats – où les atomes de cadmium forment le noyau et le chlorure de cadmium forme l’enveloppe.
De nouvelles séquences vidéo capturées par les scientifiques du Berkeley Lab révèlent pour la première fois que la croissance des nanoparticules n’est pas dirigée par une différence de taille, mais par des défauts. Crédit : Haimei Zheng/Berkeley Lab
À l’aide d’une technique appelée microscopie électronique à transmission cellulaire liquide à haute résolution (LC-TEM) à la fonderie moléculaire, les chercheurs ont capturé des vidéos LC-TEM à l’échelle atomique en temps réel des CSNP Cd-CdCl2 mûrissant en solution.
Dans une expérience clé, une vidéo LC-TEM montre une petite nanoparticule de noyau-enveloppe Cd-CdCl2 fusionnant avec un grand CSNP Cd-CdCl2 pour former un plus grand CSNP Cd-CdCl2. Cependant, la direction de la croissance n’était pas guidée par une différence de taille mais par un défaut de fissure dans la coque du CSNP initialement plus grand. « La découverte était très inattendue, mais nous sommes très satisfaits des résultats », a déclaré Qiubo Zhang, premier auteur et chercheur postdoctoral à la Division des sciences des matériaux.
Les chercheurs disent que leur travail est la vidéo LC-TEM la plus haute résolution jamais enregistrée. L’avancée – la surveillance de la maturation des nanoparticules en solution en temps réel – a été rendue possible par une « cellule liquide » ultra-mince sur mesure qui sécurise une infime quantité de liquide entre deux membranes à film de carbone sur une grille de cuivre. Les chercheurs ont observé l’échantillon liquide à travers ThemIS, un microscope électronique spécialisé de la fonderie moléculaire capable d’enregistrer les changements à l’échelle atomique dans les liquides à une vitesse de 40 à 400 images par seconde. L’environnement de vide poussé du microscope maintient l’échantillon liquide intact.
« Notre étude comble le vide pour les transformations de nanomatériaux qui ne peuvent pas être prédites par la théorie traditionnelle. » Zheng a déclaré, qui a été le pionnier du LC-TEM au Berkeley Lab en 2009 et est un expert de premier plan dans le domaine. « J’espère que notre travail inspirera d’autres personnes à réfléchir à de nouvelles règles pour concevoir des nanomatériaux fonctionnels pour de nouvelles applications. »
Qiubo Zhang et al, Maturation par défaut des nanostructures noyau-coque, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29847-8