Créer des matériaux plus performants revient à exercer un contrôle accru sur leur structure à l’échelle la plus réduite possible. Un moyen particulièrement efficace d’y parvenir consiste à utiliser des nanoparticules, dont les formes et les tailles sont hautement personnalisables et qui ont déjà montré leur potentiel dans des applications allant de l’énergie à l’électronique, en passant par la médecine.
Mais le processus de transformation des nanoparticules en nouveaux matériaux utiles a été freiné par la difficulté de contrôler le nombre et la direction des liaisons entre chaque particule et ses voisines. Les chercheurs ont tenté de modifier la forme des particules ou d’aligner avec précision les chaînes connectrices rigides entre elles, mais ces deux méthodes limitent les structures que les nanoparticules sont capables de former et sont difficiles à généraliser à grande échelle.
Une équipe comprenant des chercheurs du MIT adopte une approche différente. Les chercheurs ont mis au point une méthode ajustable d’utilisation de molécules connectrices ultrasouples qui régulent l’empilement des réseaux de nanoparticules en se déformant volontairement en fonction de leur environnement. Dans un article qui paraîtra dans Nature Materials, les chercheurs ont montré comment la souplesse des connecteurs et les charges électriques peuvent être utilisées pour régler la structure du réseau, et ils ont employé cette technique pour créer de nouveaux types de matériaux à base de nanoparticules.
Cette approche pourrait offrir un moyen plus polyvalent de créer des matériaux performants pour la photonique, la catalyse chimique, la médecine, l’agriculture et bien plus encore.
« Les gens s’intéressent aux superréseaux de nanoparticules en raison de la promesse de construire des matériaux sur mesure où l’on a davantage son mot à dire sur les types de structures qu’ils peuvent réellement former », déclare Rob Macfarlane, professeur titulaire de la chaire Richard P. Simmons (1953) de métallurgie au département de science et de génie des matériaux du MIT. « Il s’agit d’une nouvelle approche de l’assemblage de nanoparticules qui n’avait jamais été explorée auparavant. C’est exaltant de disposer d’un nouvel outil aussi contre-intuitif. C’est l’exact opposé du dogme qui prévaut depuis 20 ans : celui selon lequel il faut rendre les ligands connecteurs rigides, tout écart provoquant l’échec de l’assemblage. Nous avons montré que si on pousse le curseur jusqu’à l’extrême opposé, cela fonctionne tout aussi bien. »
Figurent également parmi les auteurs de l’article, aux côtés de Macfarlane : Nicholas Sbalbi, candidat au doctorat au MIT ; Stephen Kronenberger, doctorant à l’Université du Delaware ; Hana Shinzawa, étudiante de premier cycle au MIT ; Matthew Ye, PhD ’26 ; et Arthi Jayaraman, anciennement professeure à l’Université du Delaware.
Des structures plus souples
Une vérité fondamentale de la science des matériaux est que la structure d’un matériau gouverne sa fonction.
« Cela signifie que si vous connaissez vos briques élémentaires et la manière dont elles sont agencées, vous pouvez expliquer quelles sont les propriétés d’un matériau », explique Macfarlane. « Contrôler cela, c’est précisément ainsi que l’on crée des matériaux dotés de propriétés nouvelles. »
Les nanoparticules offrent aux scientifiques une brique élémentaire flexible pour fabriquer des matériaux aux propriétés souhaitées, et les nanoparticules prises individuellement sont déjà utilisées dans des applications aussi diverses que l’administration de médicaments, le stockage de l’énergie, le calcul ou la détection. Mais leur assemblage en structures plus vastes s’est révélé difficile en raison de leur forte tendance à s’empiler de manière serrée.
Pour surmonter ce défi, les chercheurs donnent aux nanoparticules des formes variées, ce qui modifie leur mode de connexion. Ils peuvent également rendre collantes uniquement certaines zones de la surface des particules, afin qu’elles forment des motifs différents.
« Le problème de ces deux approches, c’est qu’elles sont difficiles à mettre en œuvre par synthèse au moment où nous fabriquons les particules », explique Macfarlane. « Les méthodes développées pour définir l’adhésivité sont toujours conçues sur mesure : elles fonctionnent pour un matériau donné, à une échelle de taille donnée, dans une condition donnée. C’est utile pour étudier, mais on ne peut pas en faire grand-chose. »
Ces deux méthodes exigent par ailleurs que les molécules connectrices, appelées ligands, présentes à la surface des nanoparticules soient rigides, afin de conserver les angles précis nécessaires au maintien de la configuration voulue par les chercheurs, ce qui limite encore davantage leur fonctionnalité.
Pour leur nouvelle étude, les chercheurs ont voulu renverser cette approche.
« Nous nous sommes dit : « Faisons exactement l’inverse : rendre les liaisons si souples que la direction dans laquelle elles pointent initialement n’a aucune importance. » Les ligands peuvent alors se réorganiser à mesure que les particules se rapprochent, et c’est cette réorganisation même qui limite le nombre de voisins auxquels chaque particule peut se lier », déclare Macfarlane.
L’équipe de Macfarlane a passé des années à créer des moyens de fabriquer différents types de particules à partir de greffes de polymères. Les nanoparticules de leur nouveau système possèdent des ligands souples dont les extrémités sont chargées électriquement, certaines positivement et d’autres négativement. Les contraires s’attirent : les ligands se courbent donc pour se connecter aux charges opposées.
« L’idée, c’est qu’au lieu de définir, au moyen de méthodes de synthèse compliquées, une direction précise dans laquelle les liaisons vont se former, nous nous sommes simplement dit : « Les liaisons seront aussi souples qu’elles le souhaitent, et elles iront spontanément vers la valence qui maximisera la stabilité des liaisons » », déclare Macfarlane.
Dans des expériences menées par Sbalbi, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient contrôler les connexions en modifiant la taille des nanoparticules et la longueur des chaînes de ligands. Ils ont également utilisé cette technique pour assembler les nanoparticules en structures cristallines inédites.
« Sans avoir à prédéfinir où les particules se connectent ni quelle est leur forme, nous pouvons contrôler le nombre de liaisons de chaque particule », explique Macfarlane. « Le degré de souplesse du polymère dicte le nombre de liaisons qu’il possède. Cela nous permet de réduire le nombre de liaisons de chaque particule et de fabriquer des réseaux que nous n’avions jamais vus auparavant. »
Une nouvelle voie vers des matériaux personnalisables
Macfarlane estime que ce système représente un pas vers la sortie des laboratoires de recherche et l’entrée dans le monde réel des matériaux sur mesure à base de nanoparticules.
« Au sein de la communauté de l’assemblage de nanoparticules, nous parlons d’un contrôle totalement indépendant de ce qu’est votre particule et de l’assemblage dans lequel elle s’intègre », déclare Macfarlane. « En théorie, ce devrait être le cas. En réalité, ce ne l’a absolument pas été. »
Plus largement, les chercheurs affirment que leur approche établit la souplesse des ligands comme une nouvelle voie de création de structures matérielles pouvant être personnalisées à grande échelle.
« Les superréseaux de nanoparticules offrent un moyen de créer des matériaux sur mesure dont les briques élémentaires possèdent toutes sortes de propriétés uniques », déclare Macfarlane. « Mais le simple empilement dense de ces nanoparticules limite vos applications. Cette approche permet d’obtenir des formations de nanoparticules moins denses, et c’est justement là que se trouvent nombre des applications les plus intéressantes. »
Ces travaux ont été soutenus, en partie, par la National Science Foundation, le Department of Energy, l’armée américaine et la marine américaine.
Article rédigé par Zach Winn, MIT News
Article : “Breaking Symmetry in Nanoparticle Superlattices via Spontaneous Valency” – Journal : Nature Materials
Source : MIT
