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A la quête de quasicristaux originaux dans des auto-assemblages de nanoparticules à cœur d’or


Des nanoparticules d’or sphériques entourées d’une couronne de ligands souples, suspendues dans un solvant, s’organisent spontanément en arrangements cristallins quand on augmente leur concentration. Ces arrangements appelés supra-cristaux correspondent le plus souvent à de structures classiques : cubique à faces centrées, cubique centrée ou hexagonale compacte. Ces nanoparticules entourées d’une couronne souple peuvent aussi former des assemblages complexes, comme la phase de Frank et Kasper hexagonale que nous avons découverte. Ce résultat offre des perspectives intéressantes en terme d’organisation de particules métalliques dont les propriétés optiques peuvent s’avérer inédites et ouvre la voie à la quête de quasicristaux dans ces systèmes bien contrôlés.

Les nanoparticules d’or utilisées sont quasiment sphériques, de diamètre de cœur 2.4 nm, et stabilisées par des alcane-thiols greffés à leur surface. En suspensions concentrées, ces particules forment spontanément une structure cubique à faces centrées. En augmentant lentement leur concentration, nous avons observé l’apparition d’une phase hexagonale de grande maille qui a été identifiée par diffraction de rayons X et par cryo-TEM comme une structure de Frank et Kasper appelée MgZn2 ou C14. Les images de cryo-TEM (figure a, échelle 10nm) ont été obtenues sur des supra-cristaux formés en émulsion. La figure b compare le signal de diffraction des rayons X (en rouge) donné par une suspension de nanoparticules contenant des supra-cristaux et la modélisation (pointillés noirs) par une maille hexagonale de paramètre a=6.4 nm et c=a√8/3. La figure c montre la maille hexagonale de la structure MgZn2, constituée d’un empilement de couches hexagonales et Kagomé.

La phase MgZn2 n’a encore jamais été observée dans des assemblages d’objets mous monodisperses mais uniquement dans des alliages. L’existence de cette phase est expliquée par la présence d’interactions de van der Waals fortes entre les cœurs d’or en compétition avec l’énergie de déformation des ligands. Ce résultat ouvre ainsi la voie à la recherche de supra-cristaux à structure complexe, et donc avec potentiellement des propriétés optiques inédites. Il apporte des perspectives nouvelles dans la problématique de l’auto-organisation de sphères déformables, les phases de Frank et Kasper avec des arrangements localement tétraédriques étant les prémices de phases quasi-cristallines.

Référence :


Evidence for a C14 Frank–Kasper Phase in One-Size Gold Nanoparticle Superlattices
Stéphanie Hajiw, Brigitte Pansu, and Jean-François Sadoc
ACS Nano 9, 8116 (2015).

Contact :


Brigitte Pansu