Une étude montre comment la symétrie peut être brisée dans les cristaux colloïdaux


Une étude montre comment la symétrie peut être brisée dans les cristaux colloïdaux

Ce gyroïde triple-double est une nouvelle structure cristalline colloïdale jamais trouvée ou synthétisée la nature. Les sphères translucides rouges/vertes/bleues montrent les positions des équivalents atomiques programmables (PAE), tandis que les sphères et bâtons gris foncé montrent les positions des équivalents électroniques (EE). 1 crédit

La nature détient des secrets. Alors que de nombreuses structures à faible symétrie se trouvent dans la nature, les scientifiques se sont limités à des conceptions à haute symétrie lors de la synthèse de cristaux colloïdaux, un type précieux de nanomatériau utilisé pour les capteurs chimiques et biologiques et les dispositifs optoélectroniques.

Maintenant, des recherches de l’Université Northwestern et de l’Université du Michigan ont tiré le rideau, montrant pour la première fois comment des cristaux colloïdaux à faible symétrie peuvent être fabriqués – y compris une pour laquelle il n’y a pas d’équivalent connu.

« Nous avons découvert quelque chose de fondamental sur le système de création de nouveaux matériaux », a déclaré Chad A. Mirkin de Northwestern. « Cette stratégie de rupture de symétrie réécrit les règles de conception et de synthèse des matériaux. »

La recherche a été publiée dans la revue aujourd’hui (13 janvier). matériaux naturels.

Mirkin est professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences; professeur de génie chimique et biologique, de génie biomédical et de science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering; et professeur de médecine à la Feinberg School of Medicine. Il est également le directeur fondateur de l’Institut international de nanotechnologie.

La recherche a été dirigée par Mirkin et Sharon C. Glotzer, directeur du département de génie chimique Anthony C. Lembke à l’Université du Michigan.

Les nanoparticules peuvent être programmées et assemblées en assemblages ordonnés connus sous le nom de cristaux colloïdaux, qui peuvent être construits pour des applications allant des capteurs de lumière et des lasers aux communications et aux ordinateurs.

« L’utilisation de nanoparticules grandes et petites, où les plus petites se déplacent comme des électrons dans un cristal d’atomes métalliques, est une toute nouvelle approche pour construire des structures cristallines colloïdales complexes », a déclaré Glotzer.

Dans cette recherche, des nanoparticules métalliques recouvertes d’ADN de concepteur sur leurs surfaces ont été utilisées pour créer les cristaux. L’ADN a agi comme matériau de liaison codable, les transformant en quelque chose appelé équivalents d’atomes programmables (PAE). Cette approche offre un contrôle exceptionnel sur la forme et les paramètres des réseaux cristallins, car les nanoparticules peuvent être «programmées» pour s’organiser de manière spécifique en suivant un ensemble de règles précédemment développées par Mirkin et ses collègues.

Jusqu’à présent, cependant, les scientifiques n’avaient aucun moyen de fabriquer des réseaux avec des symétries cristallines spécifiques. Étant donné que de nombreux PAE sont isotropes, ce qui signifie que leurs structures sont uniformes dans toutes les directions, ils ont tendance à s’auto-assembler en réseaux hautement symétriques et il est difficile de créer des réseaux à faible symétrie. Cela a limité les types de structures qui peuvent être synthétisées et donc les propriétés optiques qui peuvent être réalisées avec elles.

La percée est venue avec une nouvelle approche pour contrôler la valence. En chimie, la valence fait référence à la disposition des électrons autour d’un atome. Il détermine le nombre de liaisons que l’atome peut former et la géométrie qu’il adopte. S’appuyant sur une découverte récente selon laquelle les petits PAE peuvent se comporter comme des équivalents électroniques qui migrent à travers et stabilisent les réseaux de plus grands PAE, les chercheurs du Nord-Ouest et du Michigan ont modifié la valence de leurs équivalents électroniques en modifiant la densité des brins d’ADN greffés sur leurs surfaces ajustées.

Ensuite, ils ont utilisé la microscopie électronique avancée pour observer comment la modification de la valence des équivalents électroniques affectait leur distribution spatiale entre les PAE et donc les réseaux résultants. Ils ont également étudié les effets des changements de température et la modification du rapport des PAE aux équivalents d’électrons.

« Nous avons étudié des structures plus complexes où le contrôle du nombre de voisins autour de chaque particule a conduit à une rupture supplémentaire de la symétrie », a déclaré Glotzer. « Nos simulations informatiques ont aidé à déchiffrer les motifs complexes et à découvrir les mécanismes qui ont permis aux nanoparticules de les créer. »

Cette approche a ouvert la voie à trois nouvelles phases cristallines jamais synthétisées auparavant. L’un, une structure triple double gyroïde, n’a pas d’équivalent naturel connu.

Ces cristaux colloïdaux à faible symétrie ont des propriétés optiques inaccessibles avec d’autres structures cristallines et peuvent être utilisés dans une variété de technologies. Leurs propriétés catalytiques sont également différentes. Mais les nouvelles structures révélées ici ne sont que le début des possibilités maintenant que les conditions de la rupture de symétrie sont comprises.

« Nous sommes au milieu d’une ère sans précédent dans la synthèse et la découverte de matériaux », a déclaré Mirkin. « Il s’agit d’un autre pas en avant dans la sortie de nouveaux matériaux inexplorés du carnet de croquis et dans des applications qui peuvent exploiter leurs propriétés rares et inhabituelles. »

Glotzer est également professeur émérite d’ingénierie de l’Université John Werner Cahn, professeur collégial Stuart W. Churchill de génie chimique et professeur de science et d’ingénierie des matériaux, de science et d’ingénierie macromoléculaires et de physique à l’Université du Michigan. Byeongdu Lee du Laboratoire national d’Argonne est un auteur correspondant chez Mirkin et Glotzer.


Les nanoparticules à comportement électronique bousculent la compréhension actuelle de la matière


Plus d’information:
Shunzhi Wang et al, L’origine de Valence dans les cristaux colloïdaux par des équivalents d’électrons, matériaux naturels (2022). DOI : 10.1038/s41563-021-01170-5

Fourni par l’Université Northwestern

Devis: Study Reveals How to Break Symmetry in Colloidal Crystals (13 janvier 2022) Extrait le 13 janvier 2022 de https://phys.org/news/2022-01-reveals-symmetry-colloidal-crystals.html

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