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La surprenante auto-organisation de nanotubes en une phase cristal-liquide colonnaire très diluée


Les cristaux liquides sont actuellement utilisés pour de nombreuses applications allant des dispositifs électro-optiques d’affichage aux détergents. Ils représentent un important type de « matière molle » et sont de plus en plus employés dans les approches « bottom-up » de nano-structuration des matériaux. De plus, des organisations de type cristal-liquides sont fréquemment observées par les biologistes. Récemment, une équipe de recherche du LPS, en collaboration avec des chercheurs du CEA-Saclay (NIMBE-LIONS) a découvert que l’une des quatre principales phases cristal-liquides lyotropes, la phase colonnaire, est en fait bien plus stable (d’un facteur 100 en concentration !) qu’admis jusqu’à présent.

Des suspensions colloïdales de nanotubes (ou de nanobâtonnets) présentent une phase cristal-liquide colonnaire quand ils s’organisent spontanément parallèlement entre eux, sur un réseau bidimensionnel perpendiculaire à leurs axes, comme une poignée de crayons (Figure a). Jusqu’à présent, une telle organisation n’était prévue et observée que pour des suspensions concentrées où tous les nanotubes restent très proches. Toutefois, les chercheurs du LPS et du LIONS ont découvert que des suspensions très diluées de nanotubes d’argile appelée imogolite ont aussi une phase cristal-liquide colonnaire. Les imogolites sont des aluminosilicates (ou aluminogermanates) qui connaissent un intérêt croissant dans le domaine des nanosciences depuis une dizaine d’années. Contrairement aux nanotubes de carbone, ils sont facilement synthétisables par voie sol-gel, à basse température. La présence de groupements hydroxyles en surface des parois rend ces nanotubes très hydrophiles, ce qui permet l’obtention de suspensions aqueuses.


Figure : a) représentation schématique de l’organisation des nanotubes en phase cristal-liquide colonnaire hexagonale (a et b représentent les vecteurs de base du réseau hexagonal) ; b) Cliché de diffusion des rayons X aux petits angles de la phase colonnaire alignée sous champ électrique ; c) Facteur de structure montrant les réflexions (indiquées par les traits rouges) du réseau hexagonal.

Les observations par microscopie optique en lumière polarisée sur des suspensions très diluées (fraction volumique ~ 0.3%) révèlent la présence d’une phase cristal-liquide inattendue. Les mesures de diffusion des rayons X aux petits angles, réalisées au synchrotron SOLEIL (ligne de lumière SWING), ont permis de prouver la nature colonnaire hexagonale de cette phase cristal-liquide (Figure b,c).

En phase colonnaire, en dépit de la très grande dilution, les nanotubes sont parfaitement organisés sur un réseau hexagonal de paramètre (~80 nm) quinze fois plus grand que le diamètre des nanotubes. Ce cristal-liquide dilué est si fluide que les nanotubes sont facilement alignés par application d’un champ électrique, ce qui est nécessaire pour envisager de futures applications. Ce travail offre d’importantes implications pour la physique statistique des suspensions colloïdales de bâtonnets chargés, comme les polymères biologiques, et leur compréhension. Il ouvre également de nouvelles perspectives, par exemple, dans le domaine des matériaux nanocomposites pour lesquels l’organisation de particules anisotropes améliore les propriétés physiques.

Référence :

A liquid-crystalline hexagonal columnar phase in highly-dilute suspensions of imogolite nanotubes
Erwan Paineau et al.
Nat. Commun. 7, 10271 (2016).

Contacts :


Erwan Paineau
Patrick Davidson