Les nanocubes peuvent d’eux-mêmes former de nouvelles structures

Les nanocubes sont tout sauf un jeu d’enfants, et des chercheurs de l'Institut Weizmann les ont utilisés pour créer de manière surprenante des brins alignés en motifs hélicoïdaux : ils ont montré que dans certaines conditions, ces nanoparticules en forme de cubes peuvent s’enroulent pour former des structures hélicoïdales. Leurs résultats, qui montrent comment des nanomatériaux peuvent s’assembler pour devenir des structures complexes d’une beauté inattendue, ont récemment été publiés dans la revue Science.

 

Le docteur Klajn et le postdoctorant docteur Gurvin Singh, du département de Chimie organique de l'Institut Weizmann, ont utilisé des nanocubes fait d’une matière en oxyde de fer, la magnétite. Comme son nom l’indique, cette matière est naturellement magnétique : on la trouve un peu partout, même à l’intérieur de bactéries qui l’utilisent pour capter le champ magnétique terrestre.

Le magnétisme est l’une des forces agissant sur les nanoparticules. Dans un travail en commun avec le groupe de recherche du professeur Petr Král, de l’université d’Illinois à Chicago, le docteur Klajn et le docteur Singh ont développé des modèles théoriques pour comprendre comment les diverses forces peuvent attirer et repousser les minuscules morceaux de magnétite, créant différentes formes. Le docteur Klajn explique : « Des types de forces différents obligent les nanoparticules à s’aligner de manières différentes. Elles peuvent entrer en concurrence les unes avec les autres, et il s’agit par conséquent de trouver un équilibre des forces en jeu qui puisse conduire les particules à s’assembler d’elles-mêmes en nouveaux matériaux. » Les modèles ont suggéré que la forme des nanoparticules joue un rôle important, et en fait seuls les cubes fournissent un équilibre adapté aux forces nécessaires pour créer des formes hélicoïdales.

Les chercheurs ont trouvé que les deux forces essentielles en compétition sont le magnétisme et la force de van der Waals. Le magnétisme fait que les particules magnétiques font deux choses à la fois : elles s’attirent et se repoussent les unes et les autres, incitant les particules cubiques à aligner leurs sommets. D’autre part, les forces de van der Waals tirent les faces des cubes pour les rapprocher, les poussant à s’aligner. Lorsque ces forces agissent ensemble sur les cubes minuscules, il en résulte un alignement en marches d’escaliers qui produit des structures hélicoïdales.

Dans leurs expériences, les scientifiques ont exposé à un champ magnétique des concentrations relativement fortes de nanocubes magnétiques placés en solution. De manière surprenante, les longues chaînes hélicoïdales en forme de corde qu’ils ont obtenues après que la solution s’est évaporée, étaient identiques. Ils ont répété l’expérience avec des nanoparticules ayant des formes différentes, mais, comme prévu, seuls les cubes avaient la forme physique adaptée pour s’aligner dans une hélice. Le docteur Klajn et le docteur Singh ont aussi découvert qu’ils pouvaient obtenir des brins chiraux – tous enroulés en spirales dans la même direction – avec de fortes concentrations de particules dans lesquelles se trouve un certain nombre de brins très rapprochés les uns des autres. Apparemment les forces concurrentes peuvent « prendre en considération » le moyens le plus efficace pour regrouper les brins dans l’espace.

Bien que les brins de nanocubes semblent suffisamment réussis pour qu’on puisse en faire des cordes, le docteur Klajn dit qu’il est trop tôt pour penser à des applications commerciales. Il ajoute que la valeur immédiate de ces travaux est d’avoir prouvé un principe fondamental de l’auto-assemblage à l’échelle nanométrique. Le docteur Klajn explique : « Bien que la magnétite – et même sa configuration de nanoparticule – ait déjà été étudiée depuis plusieurs dizaines d’années, personne n’avait encore observé ces structures. C’est seulement après qu’on a compris comment les différentes forces physiques agissent sur les nanoparticules que l’on peut commencer à appliquer les découvertes à des objectifs tels que la fabrication de matériaux qui s’auto-assemblent, inconnus jusqu’à présent. »