Un guide d'éponge pour le nano-assemblage

L'un des objectifs permanents de la nanotechnologie est de créer facilement et à moindre coût des matériaux hautes performances structurés à l'échelle nanométrique. Et l'une des stratégies les plus prometteuses consiste à tenter d'imiter la remarquable capacité de la nature à auto-assembler des formes complexes avec une précision à l'échelle nanométrique. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), utilisant des indices glanés sur des éponges marines, ont développé une méthode de synthèse de matériaux semi-conducteurs dotés de structures utiles et de nouvelles propriétés électroniques. Les premières applications pourraient être des moyens de fabriquer des matériaux pour des batteries plus puissantes et des cellules solaires hautement efficaces à un prix inférieur.

Cette structure de verre, formée par une espèce d'éponge marine, a incité les scientifiques à étudier de tels organismes pour apprendre à assembler facilement des structures complexes à l'échelle nanométrique. (Avec l'aimable autorisation de James Weaver et Daniel E. Morse, Université de Californie, Santa Barbara.)

Nous accédons à des structures qui, dans certains cas, n'avaient jamais été réalisées auparavant. Et dans certains cas, nous découvrons des propriétés électroniques qui n'avaient jamais été connues auparavant pour cette classe de matériaux, dit Daniel morse , professeur de génétique moléculaire et de biochimie à l'UCSB, qui a dirigé le projet. La méthode fonctionne avec une grande variété de matériaux. Jusqu'à présent, dit-il, le groupe a fabriqué 30 types différents d'oxydes, d'hydroxydes et de phosphates.

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Les cellules et batteries solaires d'aujourd'hui sont en partie freinées par leur capacité limitée à transporter des porteurs de charge électrique, tels que des électrons et des ions positifs, dans et hors des matériaux actifs. Une avancée qui pourrait aider est l'augmentation de la surface d'un matériau, tout en maintenant une structure de film mince qui peut facilement être incorporée en tant que couche d'électrode dans un dispositif.

Morse et ses collègues ont commencé leurs recherches en étudiant les méthodes utilisées par les éponges marines pour fabriquer des squelettes de verre complexes appelés spicules (voir illustration). Un type d'éponge produit un cylindre qui a l'air d'être fait de fibres de verre tissées, bien qu'il ne soit pas du tout tissé, mais assemblé molécule par molécule pour former la structure.

Les chercheurs ont notamment étudié un type d'éponge qui fabrique de minuscules aiguilles de verre. Ils ont découvert que les gènes responsables des structures de verre codent pour des enzymes qui servent à la fois de modèle physique pour la structure et de catalyseur pour l'assemblage de précurseurs moléculaires dans le matériau souhaité.

Les scientifiques ont développé une méthode de synthèse qui utilise les principes de base de la méthode d'assemblage naturel : la catalyse lente et l'utilisation d'un gabarit physique. Ils ont découvert qu'ils étaient capables d'assembler non seulement du verre, mais également une variété de matériaux semi-conducteurs qui pourraient être utiles dans les appareils.

La méthode commence par une solution de précurseurs moléculaires. Les chercheurs exposent ensuite la solution à la vapeur d'ammoniac qui, en se diffusant lentement dans la solution, agit comme un catalyseur. Le gabarit physique du matériau est la surface de la solution. A cette surface, où la concentration de vapeur est la plus élevée, le matériau forme un film mince.

Au début, les cristaux se forment à la [surface], mais avec le temps, ils commencent à se projeter dans la solution comme des stalactites qui poussent du toit d'une grotte, explique Morse. Ce que vous obtenez est un film mince nanostructuré de semi-conducteur avec une surface très élevée en raison de toutes les fines plaques ou aiguilles en saillie qui se projettent dans la solution.

La méthode fonctionne à basse température, environ à la température ambiante, alors que les techniques conventionnelles de fabrication de films minces semi-conducteurs nécessitent des températures élevées - 400 degrés Celsius, explique Morse. Il ne nécessite pas non plus d'acides et de bases agressifs souvent utilisés. En plus de rendre le processus moins cher et plus facile, les conditions douces pourraient conduire à des dispositifs qui incorporent des matériaux qui seraient impossibles à utiliser avec les processus conventionnels. Parfois, par exemple, les matériaux pouvant être utilisés dans un appareil sont limités par les températures élevées utilisées pour fabriquer les matériaux. Si vous pouvez tous les préparer à température ambiante, vous pourrez peut-être les doper avec des dopants que vous ne pourriez normalement pas utiliser à haute température, dit Angèle Belcher , professeur de science et ingénierie des matériaux et de génie biologique au MIT, qui trouve le travail de Morse très excitant.

En fin de compte, les bénéfices des travaux de Morse sur les mécanismes biologiques pourraient être plus que de nouveaux films minces, selon Aravinda Kini , directeur des programmes de science et d'ingénierie des matériaux du département américain de l'Énergie. Bien que le procédé actuel ne fonctionne que pour les films minces, une meilleure compréhension des méthodes de catalyse et de modélisation des éponges pourrait un jour permettre de fabriquer des pièces de machines complexes en rassemblant des molécules. C'est encore un rêve, mais imaginez la pale d'un moteur d'avion assemblée de bas en haut, sans aucun défaut, sans aucune méthode de fabrication très coûteuse, dit-il. C'est ce qui est possible. C'est ce dont les gens rêvent.

Image de la page d'accueil avec l'aimable autorisation de Kristian Roth, Birgit Schwenzer et Daniel E. Morse, Université de Californie, Santa Barbara.

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