Lévitation de gouttes pour l’auto-assemblage de cristaux liquides

Figure : Comparaison des différentes techniques d’auto-assemblage induit par évaporation : sur une surface hydrophile (verre), sur une surface hydrophobe (Téflon/FC40) et par lévitation acoustique (sans substrat). Sur verre, les nanotubes ne présentent aucune transition de phase et reste en phase isotrope en commençant le séchage sur une suspension diluée (no ordering). Par lévitation acoustique, on observe de multiples transitions de phases au cours du séchage (ordering) mis en évidence par la diffusion de rayons X aux petits angles (courbes insérées).
Des chercheurs du Laboratoire de Physique ont étudié l’auto-assemblage de particules de type cristal-liquide contenues dans une gouttelette lorsque celle-ci s’évapore au sein d’un lévitateur acoustique. Les structures résultantes du séchage au sein du lévitateur diffèrent remarquablement de celles obtenues sur substrat, plaçant la lévitation acoustique comme une technique puissante pour la mise en forme de matériaux et la détermination rapide de diagramme de phases.

Les techniques d’auto-assemblage induites par évaporation ont fait l’objet de nombreuses études ces dernières années afin d’organiser des particules colloïdales en matériaux ordonnés. Habituellement, l’évaporation est réalisée sur une surface conduisant à un dépôt inhomogène, connu sous le nom d’effet « tâche de café ». Pour contrer cet effet, la communauté scientifique s’est attelée à développer d’autres techniques tel que l’utilisation d’une surface hydrophobe, ou en réalisant l’assemblage au sein d’une microémulsion ou d’un canal microfluidique. Cependant, ces approches sont confrontées à certaines limitations telles que l’impossibilité de contrôler la taille des gouttes ou telles que la présence de tensioactif pouvant changer la chimie de surface des particules. Dans ce contexte, la lévitation acoustique apparaît comme une technique prometteuse pour auto-assembler des particules dans un environnement sans substrat et sans tensioactif, en contrôlant la taille de la goutte et en produisant un assemblage 3D.

Des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides ont ainsi entrepris de comparer les auto-assemblages de particules de type cristal-liquide obtenues par séchage sur des substrats hydrophile (verre) ou hydrophobe (Téflon/FC40) et par lévitation acoustique (sans substrat). Pour ce faire, ils ont utilisé des nanotubes d’argile de type imogolite en tant que système modèle, en raison de leur rapport d’aspect (longueur/diamètre) accordable et de leur riche comportement de phase cristal-liquide. Ils ont démontré qu’il était possible d’obtenir des transitions de phases multiples par séchage dans des gouttelettes en lévitation et sur des substrats hydrophobes, alors que l’auto-assemblage était limité sur des supports hydrophiles. La lévitation acoustique offre l’avantage par rapport à l’utilisation de substrat de permettre l’étude in-situ de la cinétique de l’auto-assemblage, directement sur la goutte en lévitation. Des expériences de diffusion des rayons X aux petits angles réalisées in-situ au cours du séchage en lévitation ont révélé la nature des phases cristal-liquide (colonnaire, nématique) et permis une exploration complète du diagramme de phases de ces nanotubes, avec un volume d’échantillon limité (un microlitre), en moins d’une heure, passant d’un état dilué à un état très concentré. Les chercheurs ont également démontré la possibilité de moduler la morphologie des matériaux, passant de films minces lors du séchage sur lame de verre à des matériaux 3D lors du séchage par lévitation acoustique ou sur substrat hydrophobe. De plus, le rapport d’aspect des nanotubes s’avère être un facteur essentiel, influençant à la fois les transitions de phases ainsi que la forme et la surface des matériaux résultants. En utilisant la lévitation, les superstructures obtenues après séchage sont de moins en moins sphériques et possèdent une surface de plus en plus rugueuse à mesure que le rapport d’aspect augmente. Ce travail, démontrant que la lévitation acoustique est une technique émergente pour façonner les matériaux cristaux liquides colloïdaux et déterminer rapidement leur diagramme de phases, a récemment été publié dans la revue Advanced Materials and Interfaces.

Contributeurs

Équipe Matière et Rayonnement (MATRIX)

Ligne SWING (synchrotron SOLEIL)

Financements 

LabEx PALM

Références 

Evaporation induced self-assembly of imogolite nanotubes in levitation: exploring phase transitions and material shaping. C. Hotton, T. Bizien, B. Pansu, C. Hamon and E. Paineau
Applied Materials Interfaces, 2024, 2400323
doi: 10.1002/admi.202400323

Contacts

Claire Hotton claire.hotton@universite-paris-saclay.fr
Cyrille Hamon cyrille.hamon@universite-paris-saclay.fr
Erwan Paineau erwan-nicolas.paineau@universite-paris-saclay.fr