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Comment battre un nano-paquet de cartes


Des mesures de diffusion des rayons X dévoilent que, lorsqu’on confine des nano-plaquettes au sein d’une matrice polymère, on peut contrôler de manière réversible l’orientation et l’état d’empilement de ces objets simplement en tirant sur le matériau.

Une stratégie très prometteuse pour obtenir de nouveaux matériaux consiste à disperser des nanoparticules avec des propriétés intéressantes dans un milieu facile à mettre en forme et à manipuler ; dans ces nanocomposites, le défi principal est de contrôler l’état d’agrégation des particules, ainsi que leur position et orientation. Une équipe de chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides et du synchrotron SOLEIL vient de montrer que tous ces paramètres peuvent être modifiés de manière réversible par une déformation d’étirement [2].

Le nanocomposite utilisé consiste en une matrice de chaînes polymères séquencées (polystyrène ─ polybutadiène ─ polystyrène) dopée avec des plaquettes fluorescentes de CdSe, d’une épaisseur de huit atomes et une largeur 15 fois plus grande. Les plaquettes s’assemblent spontanément en paquets, confinés dans les domaines de polybutadiène (figure 1a). Avec un dispositif de traction on impose au matériau un étirement contrôlé, tout en l’éclairant avec le faisceau intense de rayons X de la ligne SWING du synchrotron SOLEIL (figure 1b). L’image de diffusion ainsi enregistrée nous renseigne sur l’évolution de la micro-structure lamellaire et sur celle des empilements de plaquettes.

Figure 1 : a) Image en microscopie électronique du système composite (in [1]). La barre d’échelle fait 50 nm. En encadré, quelques empilements de plaquettes (zoom x3). b) Schéma du montage expérimental.

En accord avec la littérature de ces systèmes, on observe que les domaines lamellaires se réorientent sous contrainte. Le résultat surprenant est que ce mouvement déstabilise les tas de plaquettes, les cisaille et les couche sur le côté, comme si on coupait un paquet de cartes en deux plus petits (figure 2a). L’évolution est réversible car, une fois l’étirement relâché, les empilements reviennent à leur orientation et taille initiales (figure 2b). De surcroît, on peut inhiber le processus en renforçant l’interaction des plaquettes dans les tas par un excès d’acide oléique, la molécule qui les rend compatibles avec la matrice.

Figure 2 : a) Evolution d’un empilement de plaquettes sous contrainte : le paquet initial est cisaillé et ensuite partagé en deux sous-paquets avec une orientation perpendiculaire à celle du début. b) Cette transformation est réversible : le nombre de plaquettes (déterminé à partir des images de diffusion des rayons X) revient à la valeur initiale une fois la contrainte enlevée.

Cette découverte soulève des questions fondamentales sur l’interaction des nano-objets avec leur environnement et suggère aussi de nouvelles voies de formulation et de mise en forme pour élaborer des matériaux composites avec des propriétés originales.

Références

[1] Strain-controlled fluorescence polarization in a CdSe nanoplatelet–block copolymer composite, E. Beaudoin, B. Abécassis, D. Constantin, J. Degrouard and P. Davidson. Chemical Communications 51, 4051-4054 (2015).
[2] Reversible strain alignment and reshuffling of nanoplatelet stacks confined in a lamellar block copolymer matrix, E. Beaudoin, P. Davidson, B. Abécassis, T. Bizien, and D. Constantin. Nanoscale 9, 17371 (2017) doi:10.1039/C7NR05723G.

Contacts

Emmanuel Beaudoin
Doru Constantin