Quatre colloïdes cubiques fabriqués à partir de verre. Crédit : TU Delft
Une nouvelle façon de construire des matériaux synthétiques à partir de minuscules particules de verre – appelées colloïdes – a été découverte par la chercheuse Laura Rossi et son groupe à TU Delft. Avec leurs collègues de l’Université Queen’s et de l’Université d’Amsterdam, ils ont montré qu’ils peuvent simplement utiliser la forme de ces colloïdes pour créer des blocs de construction intéressants pour de nouveaux matériaux, indépendamment des autres propriétés des particules colloïdales. Rossi : “C’est frappant, car cela ouvre une toute nouvelle façon de penser la conception des matériaux.”
Les colloïdes sont de minuscules particules, dont la taille varie de quelques nanomètres (milliardièmes de mètre) à quelques microns (millionièmes de mètre). Ils sont constitués d’un ensemble de molécules et peuvent avoir des propriétés différentes selon le matériau dont ils sont constitués. “Dans certaines circonstances, les colloïdes peuvent se comporter comme des atomes et des molécules, mais leurs interactions sont moins fortes”, explique M. Rossi. “Cela en fait des blocs de construction prometteurs pour de nouveaux matériaux, par exemple pour des matériaux interactifs qui peuvent adapter leurs propriétés à leur environnement.”
Une nouvelle façon de concevoir les matériaux
S’ils sont laissés seuls, les colloïdes en forme de cubes issus de cette recherche, fabriqués à partir de verre, s’assemblent eux-mêmes en structures simples comme des treillis cubiques et hexagonaux déformés. Mais au lieu de passer immédiatement du bloc de construction à la structure finale, les scientifiques ont pris de petits groupes de colloïdes et les ont combinés en blocs de construction plus grands. Lorsqu’ils ont assemblé ces groupes de colloïdes, ils ont obtenu une structure finale différente, avec des propriétés matérielles différentes de celles de la structure auto-assemblée. “Du point de vue de la chimie, nous nous concentrons toujours sur la façon dont nous pouvons produire un certain type de colloïde”, explique Rossi. “Dans cette étude, nous avons déplacé notre attention vers : comment pouvons-nous utiliser les colloïdes qui sont déjà disponibles pour fabriquer des blocs de construction intéressants ?”.
Un pas en avant
Selon Rossi et son collaborateur Greg van Anders, l’un des objectifs ultimes de leur communauté de recherche est de concevoir des structures colloïdales complexes à la demande. “Ce que nous avons trouvé ici est très important, car pour d’éventuelles applications, nous devons disposer de procédures qui peuvent être mises à l’échelle, ce qui sera difficile à réaliser avec la plupart des approches actuellement disponibles.” “La capacité de base de pré-assembler des pièces identiques à partir de différents blocs de construction, et de leur faire réaliser la même structure, ou de prendre le même bloc de construction et de pré-assembler différentes pièces qui réalisent des structures différentes, sont vraiment les “coups d’échecs” de base pour l’ingénierie des structures complexes”, ajoute van Anders.
Bien que Mme Rossi étudie les aspects fondamentaux plutôt que l’application de la conception des matériaux, elle peut envisager d’éventuelles applications pour ce travail spécifique : “Nous avons constaté que la densité de la structure que nous avons préparée était beaucoup plus faible que la densité de la structure que l’on obtiendrait en utilisant les blocs de construction de départ. On peut donc penser à des matériaux solides mais légers pour les transports.”
Faire équipe
Après avoir construit des grappes de colloïdes en laboratoire, l’équipe de Rossi s’est appuyée sur l’équipe de Greg van Anders de l’Université Queen’s pour construire la structure finale à partir de grappes pré-assemblées à l’aide d’une simulation informatique. “Avec ce genre de projets, c’est formidable de pouvoir faire équipe avec d’autres personnes qui peuvent effectuer des simulations, non seulement pour comprendre ce qui se passe en profondeur, mais aussi pour tester les chances de réussite d’une expérience en laboratoire”, explique Rossi. “Et dans ce cas, nous avons obtenu des résultats très convaincants qui montrent que nous comprenions bien le processus de conception et que le matériau résultant peut être utile.”
La prochaine étape consistera à construire réellement la structure finale réalisée à partir des groupes de colloïdes en laboratoire. “Après avoir vu ces résultats, je suis convaincu que c’est possible”, déclare Rossi. “Ce serait formidable d’avoir une version physique de ce matériau et de le tenir dans ma main”.
Référence : “Découplage de forme et d’interaction pour le préassemblage colloïdal” 27 mai 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abm0548
