Une illustration montre la progression d’une graine d’or en une nanoparticule de tétraèdre cristallin asymétrique. Les images ont été capturées à l’Université Rice grâce à une technique connue sous le nom de microscopie électronique à transmission à cellules liquides. Crédit : Jones Research Group/Rice University
Des chimistes du riz découvrent un mécanisme de croissance contrôlée de nanoparticules en forme de tétraèdre.
La nature aime clairement la symétrie. Regardez vos propres mains, par exemple. Mais parfois, la nature produit des choses asymétriques, et les raisons ne sont pas toujours claires.
Le chimiste de l’Université Rice, Matthew Jones, et son équipe ont cherché des réponses à de telles questions sur les nanoparticules utiles – et semblent maintenant en avoir une.
La vidéo d’une nanoparticule d’or en croissance capturée à l’Université Rice par microscopie électronique à transmission à cellule liquide montre la transformation de la particule en tétraèdre. Crédit : vidéo avec l’aimable autorisation du Jones Research Group
Une nouvelle étude de Jones, auteur principal et chercheur postdoctoral Muhua Sun et des étudiants diplômés Zhihua Cheng et Weiyin Chen démontre comment la rupture de symétrie pendant la croissance des particules forme de manière fiable des nanocristaux de tétraèdre d’or en forme de pyramide.
Dans la brisure de symétrie, de petites fluctuations dans un système en développement déterminent le destin du système. Dans ce cas, cela s’applique à la croissance de cristaux à partir de graines à l’échelle nanométrique qui commencent par un réseau atomique symétrique.
Les chercheurs de Rice ont montré comment équilibrer les forces thermodynamiques et cinétiques pendant le processus de cristallisation peut être utilisé pour incliner la croissance des particules dans la direction souhaitée. Leur découverte ouvre également la voie à l’utilisation de nanoparticules asymétriques comme éléments constitutifs de métamatériaux uniques.
L’étude dans la revue American Chemical Society ACS Nano découle de travaux soutenus par la bourse Packard de Jones, accordée en 2018 pour l’aider à poursuivre ses recherches sur la microscopie électronique à transmission (MET) à cellules liquides.
La technique développée par Jones et son laboratoire permet aux chercheurs de regarder des nanoparticules métalliques uniques se former dans un liquide à travers une fenêtre suffisamment grande pour permettre le passage des électrons. En général, les microscopes électroniques à transmission fonctionnent sous vide poussé et évaporent simplement les liquides exposés.
Les chercheurs ont noté que les nanoparticules en forme de tétraèdre sont souvent trouvées comme sous-produits d’autres processus, mais les fabriquer délibérément en laboratoire s’est avéré être un défi.
“Si une particule est un monocristal, elle hérite généralement de la symétrie du réseau”, a déclaré Jones. « Et les cristaux ont tendance à être très symétriques, comme les cubes ou les dodécaèdres ou octaèdres rhombiques. Mais ensuite, il y a ces valeurs aberrantes étranges que certaines personnes voient qui ont mystérieusement une symétrie inférieure à celle du réseau parent.
La nouvelle étude est la première du laboratoire de Jones à montrer à quel point la technique des cellules liquides fonctionne bien. La capacité de faire circuler un fluide contenant des ligands et des précurseurs à travers la cellule pendant qu’ils observent leur a permis de se concentrer sur le point où la croissance s’égare et redirige la symétrie du produit nanoparticulaire final.
La clé semblait être la vitesse de croissance et les conditions dans lesquelles les atomes d’or avaient tendance à s’attacher aux particules à leurs extrémités et bords plutôt qu’aux faces thermodynamiquement favorisées.
“Maintenant que nous sommes en mesure de filtrer une gamme de conditions, nous avons pu voir un spectre avec une croissance cinétique d’un côté et un équilibre de l’autre”, a déclaré Jones. « La croissance cinétique est rapide et les protubérances se développent très rapidement et ce n’est pas très bien contrôlé. A l’équilibre, la croissance est lente et le système fait ce qu’il veut, c’est-à-dire maintenir la symétrie.
«Mais la MET à cellule liquide nous a permis de modifier une variable à la volée et de voir le comportement au milieu, où nous pouvions voir cette étrange symétrie se briser et une particule de tétraèdre bien définie sortir. Nous avons donc conclu que cela devait être un équilibre entre l’équilibre et les facteurs cinétiques.
Jones a déclaré comprendre que l’équilibre fondamental “devrait être généralisable à une variété d’autres conditions”.
Il a déclaré que la découverte établit également la MET à cellules liquides comme un outil précieux pour l’observation et l’analyse des processus chimiques dynamiques, éliminant potentiellement de nombreux essais et erreurs dans la synthèse de particules pour la biomédecine, la catalyse ou la nanophotonique.
“Il n’y a rien de tel que de pouvoir regarder tout cela se produire”, a-t-il déclaré. « C’est ce que fait cette technique. Vous ne tirez pas des photons sur quelque chose et devez ensuite faire un tas d’analyses pour interpréter les résultats. Vous venez de regarder le processus. Voir c’est croire.”
Référence : « Comprendre la rupture de la symétrie au niveau d’une particule unique via la croissance de nanocristaux en forme de tétraèdre à partir de précurseurs de symétrie supérieure » par Muhua Sun, Zhihua Cheng, Weiyin Chen et Matthew Jones, 23 septembre 2021, ACS Nano.
DOI : 10.1021 / acsnano.1c04056
La Fondation Robert A. Welch (C-1954), la Fondation David et Lucile Packard (2018-68049) et Rice ont soutenu la recherche. Jones est professeur adjoint de chimie à Norman and Gene Hackerman et professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie.
