A) Vue schématique du processus d’auto-assemblage induit par évaporation. B) Schémas des formes de microcavités étudiées. C) Images de microscopie électronique à balayage des nanobâtonnets auto-assemblés dans des cavités en forme de prisme triangulaire et de prisme carré. Les nanobâtonnets sont codés en couleur selon leur orientation, afin de distinguer les différents domaines cristallins. La barre d’échelle est de 1 µm sur les deux images de MEB. Les inserts sont les images SAXS bidimensionnelles correspondantes confirmant l’orientation des NP à grande échelle (300 × 300 µm²).
| Les physiciens et les physiciennes du Laboratoire Physique de solides (CNRS/Université de Paris-Saclay) ont mis au point une nouvelle méthode pour introduire un désordre contrôlé dans des cristaux de nanoparticules d’or anisotropes. Ce résultat, à la croisée de la chimie et de l’ingénierie, offre des perspectives pour la synthèse de matériaux aux nouvelles propriétés fonctionnelles. |
En général, les matériaux produits par les organismes vivants ne sont ni parfaitement organisés (comme les cristaux) ni complètement amorphes. Ce point d’équilibre est probablement à l’origine des nombreuses propriétés exceptionnelles des biomatériaux. Lorsque les chercheurs tentent de reproduire la nature en laboratoire en utilisant des nanoparticules, des structures simples et ordonnées sont obtenues car la plupart des nanoparticules sont symétriques et ne s’assemblent pas facilement de manière complexe. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de contrôler l’environnement des particules afin de guider leur auto-assemblage. Forcer les nanoparticules à s’assembler dans de petits espaces, tels que des gouttelettes liquides, pourrait être utilisé comme moyen d’obtenir des structures complexes. Cependant, cette stratégie présente des limitations : alors que la taille des particules et leur concentration dans la gouttelette, ainsi que le volume total, sont facilement contrôlables, la forme de la gouttelette reste ronde. C’est un inconvénient majeur, car les interfaces courbes sont généralement moins efficaces pour aligner les nanoparticules dans le matériau final.
En utilisant des surfaces plates et dures au lieu de surfaces courbes, les scientifiques ont pu guider les particules de manière plus précise. Une collaboration de longue date impliquant le LPS (CNRS/Université de Paris-Saclay), l’ICS (CNRS/Université de Strasbourg) et la ligne SWING du synchrotron SOLEIL a démontré l’auto-assemblage de nanoparticules à l’intérieur de petites cavités de différentes formes. Les interfaces de ces moules guident la croissance de multiples domaines cristallins, permettant un contrôle précis de l’orientation des nanoparticules et la formation de défauts dans les matériaux finaux (Figure 1). Ce travail a été publié dans le journal ACS Nano.
Des nanoparticules d’or de formes variées ont été assemblées à l’intérieur de cavités en forme de prisme par évaporation. En étudiant ces structures à différentes échelles, les chercheurs ont appris à contrôler leur orientation en modifiant la forme des cavités. Ils ont analysé l’orientation de ces supercristaux à grande échelle en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) conventionnelle, mais également pour chaque assemblage individuel en utilisant un microfaisceau de rayons X (µSAXS), tandis que la microscopie électronique à balayage a aidé à comprendre leur structure dans l’espace réel. Ces résultats montrent que différents motifs cristallins se forment en fonction de la forme de la cavité, chaque côté de la cavité dirigeant la croissance d’un domaine cristallin jusqu’à ce qu’il en rencontre un autre, formant des joints de grains entre eux. Des simulations numériques ont montré que des motifs similaires apparaissaient lorsque les nanoparticules étaient confinées dans des cavités de section polygonale. Cette méthode a fonctionné à la fois pour les nanobâtonnets et les bipyramides d’or, suggérant qu’elle pourrait être appliquée à une grande variété de nanoparticules.
Cette recherche pourrait avoir des applications dans des domaines comme la plasmonique, où les matériaux structurés peuvent interagir avec la lumière de manière spécifique. Par exemple, en contrôlant l’orientation de ces structures, nous pourrions créer des surfaces sensibles à différentes polarisations de la lumière. Au-delà de la plasmonique, cette méthode pourrait être utilisée pour contrôler l’émission de lumière à partir de matériaux semi-conducteurs. Dans l’ensemble, ce travail revêt une importance allant de l’intérêt fondamental au développement d’éléments optiques non conventionnels.
Contributeurs
Équipe Matière et rayonnement (MATRIX)
Plateforme Morpheus du LPS (MORPHEUS)
Équipe Théorie (THEO)
Institut Charles Sadron (Université de Strasbourg)
Ligne SWING (Synchrotron SOLEIL)
Financements
LabEx PALM
ANR NimRod
ANR METATRAP
Références
Wajdi Chaâbani, Jieli Lyu, Jules Marcone, Claire Goldmann, Eleonora J. M. ten Veen, Clément Dumesnil, Thomas Bizien, Frank Smallenburg, Marianne Impéror-Clerc, Doru Constantin, and Cyrille Hamon Prismatic Confinement Induces Tunable Orientation in Plasmonic Supercrystals DOI : 10.1021/acsnano.3c12799 – HAL Id : hal-04515350
Contact
Frank Smallenburg frank.smallenburg@universite-paris-saclay.fr
Marianne Impéror-Clerc marianne.imperor@universite-paris-saclay.fr
Cyrille Hamon cyrille.hamon@universite-paris-saclay.fr
