Une équipe de recherche dirigée par la Northwestern University et l’Université du Michigan a mis au point une nouvelle méthode pour assembler des particules en cristaux colloïdaux, un type de matériau précieux utilisé pour les dispositifs de détection et de détection de la lumière chimiques et biologiques. En utilisant cette méthode, l’équipe a montré pour la première fois comment ces cristaux peuvent être conçus de manière introuvable dans la nature.
L’équipe a utilisé l’Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) au Laboratoire national d’Argonne du DOE, pour confirmer leur découverte cruciale.
« Un puissant faisceau de rayons X permet les mesures à haute résolution dont vous avez besoin pour étudier ce type d’assemblage. L’APS est une installation idéale pour mener ces recherches », a fait remarquer Byeongdu Lee du Laboratoire national d’Argonne.
« Nous avons découvert quelque chose de fondamental sur le système de fabrication de nouveaux matériaux », a déclaré Chad A. Mirkin, professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. « Cette stratégie de rupture de symétrie réécrit les règles de conception et de synthèse des matériaux. »
La recherche a été dirigée par Mirkin et Sharon C. Glotzer, directeur du département Anthony C. Lembke de génie chimique à l’Université du Michigan, et a été publiée dans la revue Matériaux naturels.
Les cristaux colloïdaux sont de très petites particules avec d’autres particules plus petites (appelées nanoparticules) disposées à l’intérieur d’elles de manière ordonnée ou symétrique. Ils peuvent être conçus pour des applications allant des capteurs de lumière et des lasers aux communications et à l’informatique. Pour cette recherche, les scientifiques ont tenté de briser la symétrie naturelle de la nature, qui tend à ordonner de minuscules particules de la manière la plus symétrique.
« Imaginez que vous empiliez des ballons de basket dans une boîte », a déclaré Byeongdu Lee d’Argonne, chef de groupe à l’APS et auteur du journal. « Vous auriez une façon spécifique de le faire qui tirerait le maximum de valeur de l’espace. C’est comme ça que la nature le fait. »
Cependant, dit Lee, si les balles sont dégonflées dans une certaine mesure, vous pouvez les empiler selon un schéma différent. L’équipe de recherche, a-t-il dit, essaie de faire de même avec les nanomatériaux, en leur apprenant à s’auto-assembler en de nouveaux modèles.
Pour cette recherche, les scientifiques ont utilisé l’ADN, la molécule à l’intérieur des cellules qui transporte l’information génétique. Les scientifiques en ont suffisamment appris sur l’ADN pour pouvoir le programmer afin qu’il suive des instructions spécifiques. Cette équipe de recherche a utilisé l’ADN pour apprendre aux nanoparticules métalliques à s’assembler dans de nouvelles configurations. Les chercheurs ont attaché des molécules d’ADN aux surfaces de nanoparticules de différentes tailles et ont découvert que les plus petites particules se déplaçaient autour des plus grosses dans les espaces entre elles, tout en liant les particules ensemble dans un nouveau matériau.
« L’utilisation de nanoparticules grandes et petites, où les plus petites se déplacent comme des électrons dans un cristal d’atomes métalliques, est une toute nouvelle approche pour construire des structures cristallines colloïdales complexes », a déclaré Glotzer.
En ajustant cet ADN, les scientifiques ont modifié les paramètres des petites particules d’équivalent électronique et ont ainsi modifié les cristaux résultants.
« Nous avons exploré des structures plus complexes où le contrôle du nombre de voisins autour de chaque particule produisait une rupture de symétrie supplémentaire », a déclaré Glotzer. « Nos simulations informatiques ont aidé à déchiffrer les modèles complexes et à révéler les mécanismes qui ont permis aux nanoparticules de les créer. »
Cette approche a ouvert la voie à trois nouvelles phases cristallines jamais synthétisées, dont l’une n’a pas d’équivalent naturel connu.
« Les assemblages de particules colloïdales ont toujours une certaine analogie dans le système atomique naturel », a déclaré Lee. « Cette fois, la structure que nous avons trouvée est complètement nouvelle. La façon dont elle s’assemble, nous n’avons pas vu de métaux, d’alliages métalliques ou d’autres matériaux s’assembler naturellement de cette façon. »
« Nous ne connaissons pas encore les propriétés physiques du matériau », a déclaré Lee. « Maintenant, nous laissons aux scientifiques des matériaux le soin de créer ce matériau et de l’étudier. »
L’équipe a utilisé les faisceaux de rayons X ultra-brillants de l’APS pour confirmer la nouvelle structure de leurs cristaux. Ils ont utilisé les instruments de diffusion de rayons X à petit angle haute résolution sur les lignes de lumière 5-ID et 12-ID pour créer des images précises de l’arrangement des particules qu’ils avaient créées.
« Un puissant faisceau de rayons X permet les mesures à haute résolution dont vous avez besoin pour étudier ce type d’assemblage », a déclaré Lee. « L’APS est une installation idéale pour mener cette recherche. »
L’APS subit actuellement une mise à niveau massive, qui, selon Lee, permettra aux scientifiques de déterminer des structures encore plus complexes à l’avenir. Les instruments du 12-ID sont également mis à niveau pour tirer pleinement parti des faisceaux de rayons X plus brillants qui seront disponibles.
Ces cristaux colloïdaux à faible symétrie ont des propriétés optiques qui ne peuvent pas être obtenues avec d’autres structures cristallines et peuvent être utilisés dans un large éventail de technologies. Leurs propriétés catalytiques sont également différentes. Mais les nouvelles structures dévoilées ici ne sont que le début des possibilités maintenant que les conditions de rupture de symétrie sont comprises.
« Nous sommes au milieu d’une ère sans précédent de synthèse et de découverte de matériaux », a déclaré Mirkin. « Il s’agit d’un autre pas en avant dans la sortie de nouveaux matériaux inexplorés du carnet de croquis et dans des applications qui peuvent tirer parti de leurs propriétés rares et inhabituelles. »
Shunzhi Wang et al, L’émergence de la valence dans les cristaux colloïdaux par des équivalents d’électrons, Matériaux naturels (2022). DOI : 10.1038/s41563-021-01170-5