| Des scientifiques du LPS (CNRS/Université Paris-Saclay), de l’ICS (CNRS/Université de Strasbourg), de SOLEIL (ligne de lumière SWING) et du CIC nanoGUNE (San Sebastian, Espagne) ont apporté un nouvel éclairage sur cette question grâce à l’auto-assemblage induit par évaporation (Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA) dans des gouttes en lévitation. Ils ont étudié la dynamique de séchage de nanobâtonnets d’argent en présence d’un tensioactif couramment utilisé, le chlorure de cétyltriméthylammonium (CTAC). |
Comment les nanoparticules s’organisent-elles lorsqu’une goutte de liquide sèche ? Une nouvelle étude met en évidence le rôle déterminant des tensioactifs dans la formation de matériaux plasmoniques ordonnés.
À l’aide d’une approche expérimentale innovante reposant sur des gouttes en lévitation — développée conjointement par le LPS et la ligne de lumière SWING —, l’équipe a pu suivre, en temps réel et sans contact, l’évolution structurale des nanoparticules tout au long de l’évaporation. Les résultats remettent en question une conception largement admise de l’EISA, qui consiste à considérer que l’augmentation progressive de la concentration au cours du séchage est le principal moteur de la formation de structures ordonnées. Or cette étude montre que la concentration initiale en tensioactif constitue en réalité le paramètre déterminant pour l’émergence de super-réseaux de nanoparticules. Son influence dépasse celle de la concentration en nanoparticules, voire celle de leur morphologie.Lorsqu’un liquide contenant des nanoparticules sèche, celles-ci peuvent spontanément s’organiser en structures très ordonnées. Ce phénomène, appelé auto-assemblage induit par l’évaporation (EISA), est largement utilisé pour fabriquer des matériaux aux propriétés avancées. Pourtant, les mécanismes précis à l’origine de cette organisation au cours du séchage restent encore mal compris.
Une équipe de chercheurs, dont des scientifiques du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS/Université Paris-Saclay), vient d’identifier un facteur clé qui contrôle ce processus. Les chercheurs ont étudié des nanobâtonnets d’argent — de minuscules particules en forme de bâtonnets — dispersés dans l’eau et stabilisés par un tensioactif appelé CTAC (chlorure de cétyltriméthylammonium), qui forme une phase cristalline à forte concentration.
Pour suivre l’évolution des nanoparticules pendant l’évaporation, l’équipe a utilisé une approche expérimentale innovante basée sur des gouttes en lévitation. Les gouttes sont maintenues sans contact avec une surface, ce qui permet d’observer leur évolution en temps réel tout en évitant les interactions avec un support solide. Grâce à la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), les chercheurs ont ainsi pu suivre l’organisation progressive des nanoparticules au cours de l’évaporation.
Ces résultats remettent en question une idée largement admise concernant l’auto-assemblage des nanoparticules. On considère généralement que l’augmentation progressive de la concentration des nanoparticules, provoquée par l’évaporation, est le principal facteur à l’origine de leur organisation. L’étude montre au contraire que la concentration initiale en tensioactif est le paramètre déterminant pour contrôler la formation de structures ordonnées. Cet effet est plus important que celui de la concentration des nanoparticules, et même que celui de leur forme.
Les chercheurs montrent que le CTAC joue deux rôles successifs au cours du séchage. Au début, les molécules de CTAC forment de petits agrégats appelés micelles. Ces micelles modifient les interactions entre les nanoparticules, favorisant leur rapprochement et la formation puis la croissance d’assemblages ordonnés. Au fur et à mesure que l’évaporation se poursuit, la concentration en CTAC augmente et une phase cristalline apparaît. L’apparition de cette phase solide empêche alors les nanoparticules de se réorganiser et « fige » efficacement la structure obtenue.
Les expériences révèlent également que l’organisation des nanoparticules commence avant que la goutte ne soit complètement sèche et qu’elle se produit dans l’ensemble de son volume. À une échelle plus grande, les nanobâtonnets adoptent progressivement une organisation radiale, suivant la géométrie de la goutte qui se contracte.
En combinant la diffusion des rayons X aux petits angles avec la microscopie électronique et des analyses par microfaisceau, les chercheurs ont ainsi pu reconstituer les différentes étapes de l’organisation des nanoparticules, depuis le début de l’évaporation jusqu’à la formation du matériau final.
Ces résultats fournissent de nouvelles pistes pour contrôler et reproduire l’assemblage de nanoparticules en structures ordonnées. Une meilleure maîtrise de ce processus pourrait notamment contribuer au développement de matériaux plasmoniques, de structures photoniques et d’autres nanomatériaux fonctionnels aux propriétés optiques et électroniques contrôlées.
Financement
ANR CODENAME, ANR 2Rods and ANR MetaTRAP
Équipe de recherche
Cette étude réunit des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS/Université Paris-Saclay), de laligne de lumière SWING du synchrotron SOLEIL, de l’Institut Charles Sadron (CNRS/Université de Strasbourg) et du CIC nanoGUNE (Donostia-San Sebastián, Espagne).
Reference
Claire Hotton, Jaime Gabriel Trazo, Evgeny Modin, Arnaud Bardouil, Nika Kutalia, Jules Marcone, Rahul Nag, Claire Goldmann, Erwan Paineau, Andrey Chuvilin, Marianne Impéror-Clerc, Thomas Bizien, Doru Constantin, Cyrille Hamon, Nano Letters (2026), 26 (25): 8274–8281, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01619
Contact at LPS
Erwan Paineau : erwan-nicolas.paineau-lanone@cnrs.fr
Marianne Impéror-Clerc : marianne.imperor@cnrs.fr
Cyrille Hamon : cyrille.hamon@cnrs.fr.