10 janvier 2024
(Projecteur Nanowerk) Le contrôle de la lumière à l'échelle nanométrique a longtemps attiré les chercheurs cherchant à exploiter un étrange phénomène de mécanique quantique appelé résonance plasmonique de surface localisée (LSPR). Quand la lumière interagit avec le métal nanoparticules (NP) bien plus petites que sa longueur d'onde, plusieurs choses remarquables se produisent. L'énergie est compressée en points chauds nanométriques, les électrons dansent collectivement sur des fréquences de résonance et les champs optiques s'intensifient de façon exponentielle, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités aux technologies basées sur la lumière.
Pourtant, les progrès restent ralentis par le manque de méthodes permettant de construire des structures NP 3D complexes qui exploitent pleinement le LSPR. Le défi persistant consiste à trouver des moyens simples mais évolutifs d’empiler verticalement les NP tout en conservant un contrôle précis sur la composition et l’architecture. Les techniques d'auto-assemblage peuvent créer spontanément des amas de NP, mais les approches chimiques traditionnelles ont du mal à créer des géométries spécialisées ou à positionner délibérément les particules.
Les méthodes reposant sur les gradients d’interface solide-liquide ne peuvent exploiter l’auto-assemblage des particules qu’en une ou deux dimensions. Des approches d'impression 3D plus récentes guidées par des modèles ont permis de construire avec succès des super-réseaux plasmoniques de plusieurs centimètres de haut. Cependant, ils ont du mal à créer de petits lots de conceptions de piliers personnalisées nécessaires à une approche itérative. nanoingénierie.
Il existe également un compromis entre la complexité des motifs et l'uniformité à grande échelle, puisque les nanostructures se développent toujours sur une vaste zone d'évaporation plutôt que sur une zone confinée. Cela entraîne des défis pratiques pour traduire efficacement l’innovation en laboratoire en modules spécialisés et en nanodispositifs.
Rapportant leurs conclusions dans Small (« Stylo nanofountain pour l'écriture d'architectures plasmoniques hybrides »), une équipe interdisciplinaire d'ingénieurs et de scientifiques de Corée du Sud a développé une stratégie créative pour imprimer en 3D divers « piliers colloïdaux » autoportants constitués de combinaisons de NP sur mesure. Ils construisent des stylos-plumes spécialisés qui équilibrent le flux capillaire et l’évaporation des solvants pour diriger l’auto-assemblage fluidique des suspensions de NP – guidant essentiellement l’organisation autonome de la matière à travers la physique.
Écriture inspirée d'un stylo plume sur des échelles micrométriques. a) Schéma d'écriture au stylo plume. b) Stylo plume ultrafin pour encre dispersée NP. La barre d'échelle représente 5 µμm. c) Schéma d'assemblage colloïdal ponctuel. d) Texte de la taille d'un micromètre écrit par l'assemblage colloïdal (à gauche) et image SEM d'une structure en demi-beignet (à droite). Les barres d’échelle des images de gauche et de droite représentent respectivement 50 et 1 µm. e) Schéma d'assemblage colloïdal 3D. f ) Divers assemblages colloïdaux 3D (à gauche) et packaging de NP (à droite). La barre d'échelle représente 10 µm (noir) et 1 µm (blanc). (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag)
Cette percée permet d’ajuster avec précision les propriétés optiques et structurelles des piliers submicroniques en mélangeant la taille des particules et les nanomatériaux. Comme preuve de concept, les chercheurs démontrent des actionneurs NP/biomatériaux sensibles à l’humidité. Cette avancée fondamentale établit une plateforme extrêmement polyvalente et accessible pour la conception de systèmes plasmoniques personnalisés. métamatériaux.
Cette technique de traitement de solution à faible coût et à haut débit permet d’ajuster les propriétés optiques en mélangeant la taille des particules et les matériaux au sein d’un seul pilier. Les chercheurs présentent des applications potentielles telles que les nanoactionneurs sensibles à l'humidité. Cette avancée établit une plate-forme extrêmement polyvalente pour fabriquer des structures plasmoniques 3D sur mesure pour nanophotonique, photocatalyse et dispositifs à l'échelle nanométrique.
L’innovation clé réside dans la réduction et la réimagination des mécanismes de base d’un stylo à encre. À l'échelle macro, les stylos-plumes dépendent d'un apport continu d'encre humide pendant que le solvant s'évapore sur le papier. L’équipe de recherche a conçu un tube microcapillaire en verre effilé qui imite ce processus d’écriture au niveau microscopique.
Lorsqu’elle est plongée dans l’encre colloïdale NP, la pointe étroite du tube forme un pont capillaire d’évaporation de seulement quelques microns de large. À mesure que l’encre s’auto-assemble au niveau de cette minuscule interface, les chercheurs peuvent extraire des piliers allant des sphères hexagonales aux nanostructures hélicoïdales. La modification de la concentration de particules dans l'encre ou le mélange de deux solutions NP différentes permet un réglage précis des architectures 3D.
Par exemple, la combinaison de NP d’or (AuNP) de 80 nm avec des AuNP plus petits de 20 nm augmente considérablement la hauteur maximale du pilier. Cela se produit parce que l’assemblage nanoporeux permet la montée capillaire du fluide dans le pilier 3D, augmentant ainsi la zone d’évaporation pour reconstituer le flux d’encre. En conséquence, la vitesse de croissance n’est plus limitée par la diffusion à partir du pont capillaire décroissant.
L’analyse théorique de l’équipe fournit des équations reliant les paramètres de fabrication tels que l’humidité et la densité des particules aux taux d’expansion des piliers mesurés expérimentalement. Ce niveau d’informations quantitatives sera inestimable pour ceux qui cherchent à adapter la technique à des applications spécifiques.
En guise de preuve de concept, les chercheurs ont démontré diverses possibilités d’accordabilité optique à l’aide du NFP. Le mélange d'AuNP et de NP d'argent a donné des formes de demi-beignet auto-assemblées avec une composition uniformément répartie. La modification des proportions de petits et de grands AuNP a produit des nanostructures en pilier présentant des propriétés d'absorption de la lumière contrôlées.
L’équipe a imprimé des piliers asymétriques « Janus » en utilisant de l’encre NP d’un côté et une encre biologique fonctionnelle contenant des bactériophages M13 en forme de bâtonnet de l’autre. La réactivité du M13 aux gradients d'humidité a induit des mouvements de flexion réversibles, créant essentiellement des actionneurs miniatures entraînés par l'humidité à partir des piliers à deux faces.
Croissance verticale d'un amas colloïdal binaire. a) Série de micrographies optiques montrant la croissance verticale de l'amas colloïdal binaire. La barre d'échelle représente 50 µm. b) Vitesses de croissance disponibles basées sur la solution AuNP 80 nm. c) Vitesses de croissance disponibles basées sur la solution AuNP à 20 nm mélangée à 2 particules = fL de solution AuNP à 80 nm. d) Images SEM des micropiliers marqués I, II, III et IV en (c). La barre d'échelle représente 10 µm. e) Images SEM des nanostructures de micropiliers marqués I, II et III en (d). La barre d'échelle représente 200 nm. f ) Image FESEM d'un micropillaire fraisé avec FIB. La barre d'échelle représente 5 µm. g) Image FESEM de la section transversale d'un micropilier composé d'une composition unique (à gauche) et binaire (à droite). La barre d'échelle représente 200 nm. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag)
Cela stimule les idées pour fabriquer des machines colloïdales encore plus complexes en incorporant différents nanomatériaux, catalyseurs ou protéines au sein d’un seul pilier imprimé en 3D. L’étendue des possibilités montre à quel point le concept trompeusement simple du stylo sur papier des chercheurs élargit fondamentalement la boîte à outils pour la nano-ingénierie avancée.
La méthodologie du stylo plume par évaporation contourne également les limitations qui freinent les stratégies de fabrication alternatives. Les méthodes reposant sur les gradients d’interface solide-liquide ne peuvent exploiter l’auto-assemblage des particules qu’en une ou deux dimensions. Des approches d'impression 3D plus récentes guidées par des modèles ont permis de construire avec succès des super-réseaux plasmoniques de plusieurs centimètres de haut. Cependant, ils ont du mal à créer de petits lots de conceptions de piliers personnalisées nécessaires à la nano-ingénierie itérative.
Il existe également un compromis entre la complexité des motifs et l'uniformité à grande échelle, puisque les nanostructures se développent toujours sur une vaste zone d'évaporation plutôt que sur une zone confinée. Cela entraîne des défis pratiques pour traduire efficacement l’innovation en laboratoire en modules spécialisés et en nanodispositifs.
La technique NFP rapportée fonctionne essentiellement comme une imprimante 3D rétractable mais avec un assemblage naturellement guidé plutôt qu'imposé de l'extérieur. La localisation de tout sur l'interface microscopique entre la surface et la pointe du stylet permet un contrôle spatio-temporel exquis sans perte d'évolutivité.
La capacité qui en résulte à modifier continuellement les paramètres en cours de fabrication et à construire des piliers hétérogènes de moins de 10 microns de large ouvre de nouveaux horizons pour le nanoprototypage rapide. On peut imaginer des scientifiques concevoir à la volée des structures NP personnalisées pour atteindre des objectifs de performance ou servir à différents objectifs au sein d’un nanosystème intégré.
Cette étude révolutionnaire fournit une base solide pour de nombreuses directions passionnantes. La phase suivante consiste à étendre cette technologie à davantage de types de nanoparticules et d'encres, avec un éventail plus large de fonctionnalités au-delà de la plasmonique. Les chercheurs doivent également optimiser la vitesse d’impression, la stabilité de l’architecture et la taille des interfaces pour repousser les limites.
Une autre tâche essentielle consistera à étudier des substrats alternatifs, car le recours actuel aux plaquettes de silice pose des défis pour l'intégration de nanostructures dans des dispositifs ou sur des surfaces non planes. Enfin, l’exploration de l’ingénierie des réservoirs ou des techniques multi-stylos peut élargir davantage la complexité de composition réglable pour l’assemblage colloïdal 3D.
La méthodologie du stylo plume des chercheurs représente une avancée cruciale dans la nanofabrication, combinant les avantages polyvalents de l’assemblage dirigé avec l’évolutivité de l’auto-assemblage. Cette étude transforme essentiellement un stylo de séchage quotidien en une plateforme de nanostructuration puissante mais accessible.
La technique rapportée peut servir de pont idéal entre la recherche en nanosciences et le développement technologique du monde réel. La capacité de tester une large gamme de compositions et de géométries de nanostructures facilite le prototypage rapide afin d'optimiser les conceptions pour les applications cibles. Pendant ce temps, la physique prévisible confinée à une interface minuscule permet une mise à l’échelle simple pour une production de masse.
Les impacts commerciaux et sociétaux pourraient être profonds à mesure que les chercheurs exploitent la généralisabilité de cette approche à tous les secteurs. Sur le plan biomédical, des nanostructures d'acide nucléique 3D personnalisées pourraient permettre une administration ciblée de médicaments ou une transfection de cellules uniques. Des piliers plasmoniques dotés de résonances optiques programmables pourraient constituer la base de plateformes de détection moléculaire ultrasensibles. Le mélange de métamatériaux utilisant cette technique peut conduire à des processus catalytiques et à des systèmes de conversion d'énergie améliorés.
À l’avenir, les possibilités abondent en matière d’intégration de l’impression multi-matériaux, d’encres nanoparticulaires fonctionnelles et de motifs 3D sur des surfaces non planes – augmentant considérablement la complexité de conception.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet une
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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