Des scientifiques construisent des parapets, des aqueducs et d’autres formes à l’échelle nanométrique

Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont mis au point une nouvelle méthode pour guider l’auto-assemblage d’un large éventail de nouvelles structures à l’échelle nanométrique en utilisant des polymères simples comme matériaux de départ. Au microscope électronique, ces structures à l’échelle nanométrique ressemblent à de minuscules blocs de construction Lego, y compris des châteaux médiévaux miniatures et des parapets pour les aqueducs romains. Mais au lieu de construire des fiefs microscopiques fantastiques, les scientifiques explorent comment ces nouvelles formes peuvent affecter les fonctions du matériau.

Une équipe du Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven Lab décrit sa nouvelle approche pour contrôler l’auto-assemblage dans un article qui vient d’être publié. Connexions avec la nature. Une analyse préliminaire montre que différentes formes ont des conductivités électriques radicalement différentes. Le travail pourrait aider à guider la conception de revêtements de surface personnalisés avec des propriétés optiques, électroniques et mécaniques adaptées pour une utilisation dans les capteurs, les batteries, les filtres et plus encore.

“Ce travail ouvre la porte à un large éventail d’opportunités et d’opportunités pour les scientifiques du milieu universitaire et de l’industrie de collaborer avec des experts du CFN”, a déclaré Kevin Yager, chef de projet et chef du groupe des nanomatériaux électroniques du CFN. “Les scientifiques intéressés par l’étude des revêtements optiques, des électrodes pour les batteries ou les conceptions de cellules solaires peuvent nous indiquer les propriétés dont ils ont besoin, et nous pouvons choisir la bonne structure dans notre bibliothèque de matériaux aux formes exotiques pour répondre à leurs besoins.”

Assemblage automatique

Pour développer les matériaux exotiques, l’équipe s’est appuyée sur deux domaines d’expertise de longue date au CFN. Le premier est l’auto-assemblage de matériaux appelés copolymères séquencés, y compris la manière dont différentes formes de traitement affectent l’organisation et le réarrangement de ces molécules. La seconde est une technique appelée synthèse par infiltration, qui remplace les molécules de polymère réarrangées par des métaux ou d’autres matériaux pour rendre les formes fonctionnelles et faciles à visualiser en trois dimensions à l’aide d’un microscope électronique à balayage.

“L’auto-assemblage est une façon vraiment cool de créer des structures”, a déclaré Yager. “Vous concevez les molécules, et les molécules se conforment spontanément à n’importe quelle structure.”

Dans sa forme la plus simple, le processus commence par le dépôt de fines couches de molécules à longue chaîne appelées copolymères à blocs sur un substrat. Les deux extrémités de ces copolymères à blocs sont chimiquement différentes et veulent se séparer l’une de l’autre comme l’huile et l’eau. Lorsque vous chauffez ces films par un processus appelé recuit, les deux extrémités du copolymère se réarrangent pour s’éloigner le plus possible tout en étant toujours connectées. Ainsi, le réarrangement spontané des chaînes crée une nouvelle structure avec deux sites chimiquement distincts. Les scientifiques dupliquent ensuite la forme en injectant un métal ou une autre substance dans l’un des domaines, brûlant complètement le matériau d’origine. Le résultat : un morceau de métal ou d’oxyde en forme mesurant un milliardième de mètre qui pourrait être utile pour les semi-conducteurs, les transistors ou les capteurs.

“C’est une technique puissante et évolutive. Vous pouvez facilement couvrir de grandes surfaces avec ces matériaux”, a déclaré Yager. “Mais l’inconvénient est que ce processus ne produit que des formes simples – des couches plates en forme de feuille appelées lamelles ou cylindres à l’échelle nanométrique.”

Les scientifiques ont essayé différentes stratégies pour aller au-delà de ces simples arrangements. Certains ont expérimenté des polymères ramifiés plus complexes. D’autres ont utilisé des techniques de microfabrication pour créer un substrat avec de minuscules poteaux ou canaux qui indiquent où les polymères peuvent aller. Mais développer des matériaux plus complexes et les outils et modèles pour guider le nanoassemblage peut être à la fois laborieux et coûteux.

“Ce que nous essayons de montrer, c’est qu’il existe toujours une alternative où vous pouvez utiliser des matériaux de départ simples et bon marché, mais obtenir des structures vraiment intéressantes et exotiques”, a déclaré Yager.

Composer et éteindre

La méthode CFN est basée sur la superposition de couches minces de copolymère à blocs.

“Nous prenons deux matériaux qui veulent naturellement former des structures très différentes et les superposons littéralement”, a déclaré Yager. En modifiant l’ordre et l’épaisseur des couches, leur composition chimique et un certain nombre d’autres variables, notamment les durées et les températures de recuit, les scientifiques ont créé plus d’une douzaine de structures exotiques à l’échelle nanométrique qui n’avaient jamais été vues auparavant.

“Nous avons constaté que les deux matériaux ne veulent pas vraiment se superposer. Ils veulent se mélanger pendant qu’ils recuisent”, a déclaré Yager. “Le mélange conduit à de nouvelles structures plus intéressantes.”

Si le ramollissement est autorisé à se terminer, les couches évolueront finalement pour former une structure stable. Mais en arrêtant le processus de recuit à différents moments et en refroidissant et en trempant rapidement le matériau, “vous pouvez supprimer les structures transitoires et obtenir d’autres formes intéressantes”, a déclaré Yager.

Les images au microscope électronique à balayage ont révélé que certaines structures, telles que les “parapets” et les “aqueducs”, ont des propriétés composites résultant de l’ordre et des préférences de reconfiguration des copolymères assemblés. D’autres ont des motifs croisés ou des lamelles piquées, contrairement aux configurations préférées des matériaux de départ ou de tout autre matériau auto-assemblé.

Grâce à des études détaillées explorant des combinaisons imaginatives de matériaux existants et examinant leur “historique de traitement”, les scientifiques du CFN ont créé un ensemble de principes de conception qui expliquent et prédisent quelle structure se formera dans un ensemble donné de conditions. Ils ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire sur ordinateur pour mieux comprendre le comportement des molécules.

“Ces simulations nous permettent de voir où vont les chaînes polymères individuelles lorsqu’elles se réarrangent”, a déclaré Yager.

Candidatures potentielles

Et bien sûr, les scientifiques réfléchissent à la façon dont ces matériaux uniques peuvent être utiles. Le matériau poreux peut fonctionner comme une membrane pour la filtration ou la catalyse ; Selon Yager, un avec des piliers en forme de parapet sur le dessus pourrait potentiellement être un capteur grâce à sa grande surface et sa connectivité électronique.

Premiers tests, y compris Connexions avec la nature article consacré à la conductivité électrique. Après avoir créé une série de polymères nouvellement façonnés, l’équipe a utilisé la synthèse par infiltration pour remplacer l’un des domaines nouvellement façonnés par de l’oxyde de zinc. Lorsqu’ils ont mesuré la conductivité électrique de nanostructures d’oxyde de zinc de différentes formes, ils ont trouvé de grandes différences.

“Ce sont les mêmes molécules de départ, et nous les convertissons toutes en oxyde de zinc. La seule différence entre l’une et l’autre est qu’elles sont liées localement à l’échelle nanométrique”, a déclaré Yager. “Et cela fait une grande différence dans les propriétés électriques du matériau final. Dans un capteur ou une électrode pour une batterie, ce serait très important.”

Les scientifiques étudient actuellement les propriétés mécaniques de diverses formes.

“La prochaine frontière est la multifonctionnalité”, a déclaré Yager. “Maintenant que nous avons accès à ces belles structures, comment en choisir une qui maximise une propriété et minimise l’autre, ou maximise les deux ou minimise les deux, si c’est ce que nous voulons.”

“Nous avons beaucoup de contrôle avec cette approche”, a déclaré Yager. “Nous pouvons contrôler la structure (en utilisant cette méthode nouvellement développée) et également de quel matériau elle est faite (en utilisant notre expertise en synthèse d’infiltration). Nous sommes impatients de travailler avec les utilisateurs de CFN sur où cette approche peut mener.”

Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science (BES). Le travail expérimental a été dirigé par Sebastian Russell, un boursier postdoctoral du CFN qui travaille actuellement dans l’industrie. Les co-auteurs supplémentaires incluent Masafumi Fukuto de la source de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II) du laboratoire Brookhaven ; Chang-Yong Nam, Suwon Bae, Nikhil Tiwale et Gregory Doerk du CFN ; et Ashwanth Subramanian de l’Université Stony Brook (SBU). Le CFN et le NSLS-II sont des installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE. Ce travail a également utilisé des ressources informatiques gérées par le Center for Scientific Data and Computing, qui fait partie de la Computational Science Initiative du Brookhaven Laboratory.

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