Les chercheurs du MIT utilisent des liaisons moléculaires flexibles pour créer de nouvelles structures cristallines de nanoparticules

Un renversement de 20 ans de pensée en science des matériaux

Les chercheurs du MIT et leurs collaborateurs ont découvert que des connexions moléculaires flexibles peuvent créer des structures cristallines de nanoparticules qui n'ont jamais été observées auparavant. Cette découverte remet en question une hypothèse de longue date en science des matériaux selon laquelle les ligands de connexion doivent être rigides pour maintenir les nanoparticules dans des arrangements planifiés.

« C'est une nouvelle approche de l'assemblage de nanoparticules qui n'a pas été étudiée auparavant. Il est passionnant d'avoir un nouvel outil qui est si contre-intuitif. C'est l'exact opposé de ce que le dogme a été pendant 20 ans : il faut rendre les ligands de connexion rigides, et toute déviation entraîne l'échec de l'assemblage. Nous avons montré que si vous poussez cela à l'extrême opposé, cela fonctionne tout aussi bien », déclare Rob Macfarlane, professeur Richard P. Simmons (1953) de métallurgie au Département de science et ingénierie des matériaux du MIT.

Comment fonctionne la nouvelle méthode

L'équipe a équipé les nanoparticules de ligands très flexibles qui portent des charges électriques à leurs extrémités. Certains connecteurs ont des charges positives et d'autres des charges négatives. Comme les charges opposées s'attirent, les molécules de connexion se courbent vers les partenaires ayant une charge opposée, aidant les nanoparticules à se joindre.

Les chercheurs ont utilisé des nanoparticules d'or avec des ligands fabriqués à partir d'un polymère commun et souple appelé PEG, terminés par des charges positives ou négatives. Des simulations informatiques ont également été effectuées pour suivre ce que l'expérience montrait. Sans rigidité, les ligands s'agglomèrent là où les particules se touchent, limitant le nombre de connexions qui peuvent être établies.

En modifiant la taille des nanoparticules et la longueur de leurs chaînes moléculaires flexibles, l'équipe a pu contrôler le nombre de particules voisines avec lesquelles chacune se connecte. Des particules plus petites ont conduit à moins de liaisons.

Nouvelles structures cristallines et applications potentielles

La méthode a produit des structures cristallines ordonnées qui n'ont jamais été vues auparavant. Ces arrangements de nanoparticules, souvent appelés super-réseaux, sont plus ouverts que les structures densément empilées qui se forment couramment lors de l'assemblage de nanoparticules.

« Sans avoir à prédéfinir où les particules se connectent ou quelles sont leurs formes, nous pouvons contrôler le nombre de liaisons que chaque particule possède », explique Macfarlane. « Le degré de flexibilité du polymère détermine le nombre de liaisons qu'il a. Cela nous permet de réduire le nombre de liaisons que chaque particule possède et de créer des réseaux que nous n'avons jamais vus auparavant. »

Les chercheurs disent que cette approche pourrait soutenir les développements en photonique, catalyse chimique, médecine, agriculture, électronique et technologies de l'énergie. La fonctionnalité des nouveaux matériaux doit encore être examinée et testée.

L'équipe de recherche comprenait Nicholas Sbalbi, doctorant au MIT, Stephen Kronenberger, doctorant à l'University of Delaware, Hana Shinzawa, étudiante de premier cycle au MIT, Matthew Ye PhD '26, et Arthi Jayaraman, ancien professeur à l'University of Delaware. Les résultats ont été publiés dans Nature Materials. La recherche a reçu un soutien partiel de la National Science Foundation, du Department of Energy, de l'U.S. Army et de l'U.S. Navy.

Pourquoi cela compte

Contrôler la manière dont les nanoparticules s'organisent détermine le comportement d'un matériau. La nouvelle approche donne aux scientifiques un moyen de créer des matériaux sur mesure avec des propriétés précisément conçues, sans les techniques de fabrication complexes requises par les méthodes traditionnelles. Les prochaines étapes consisteront à expérimenter d'autres matériaux de particules et combinaisons de ligands, et à tester les matériaux dans des scénarios réels.

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Sources (en anglais)

• sciencedaily.com: MIT scientists break a 20-year rule and unlock never-before-seen crystal structures | ScienceDaily
• sciencealert.com: MIT Scientists Break a 20-Year Rule And Unlock Never-Before-Seen Crystal Structures : ScienceAlert

Traduction réalisée par IA de l’article original en anglais, vérifiée automatiquement pour dire la même chose que l’original. Les sources ont été vérifiées en anglais.