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Lors de la synthèse de nanocristaux sous forme de feuillets de semi-conducteurs très fins en solution, des ligands viennent se fixer en surface de part et d’autre de ces nanoplaquettes (NPLs). Ces ligands exercent une contrainte sur les NPLs de semiconducteurs qui vont alors s’enrouler sous forme d’hélice pour minimiser cette contrainte. Des chercheurs des laboratoires LPEM et PMMH à l’ESPCI Paris - PSL ainsi que de l’INSP et de l’IMPMC ont mis au point un modèle mécanique à l’échelle nanoscopique qui explique précisément cet enroulement en fonction des différents paramètres de l’expérience : la nature du semiconducteur, l’épaisseur des nanoplaquettes, la taille des ligands. Leurs travaux viennent d’être publiés dans la revue ACS Nano.
Image de l'enroulement de nanoplaquettes obtenue en microscopie électronique en transmission. On observe bien la structure en forme d'hélice. Lors d’une réaction de synthèse colloïdale de nanocristaux en solution, des molécules amphiphiles viennent recouvrir la surface des nanoparticules. En l’occurrence, dans notre cas, des nano-feuillets de semi conducteurs, synthétisés à façon au LPEM. Or l’orientation cristalline des NPLs conduit à une adsorption spécifique de ces ligands qui va induire des contraintes telles que les NPLs vont s’enrouler en forme d’hélice.
Une forme particulière qui varie en rayon, voire en sens d’enroulement selon les conditions d’expérience
L’équipe de chercheurs s’est donc intéressée au problème mécanique : comment prendre en compte l’ensemble des paramètres de l’expérience pour expliquer un enroulement dans un sens ou l’autre, ou encore justifier la forme spécifique de l’hélice ?
En s’appuyant sur l’aide de mécaniciens (au départ plutôt en physique macroscopique), les scientifiques ont validé un modèle mécanique détaillé. En pratique l’enroulement des ligands dépend de plusieurs paramètres : (i) la nature du « substrat », c’est à la dire du semi-conducteur sur lequel s’adsorbent les ligands, mais aussi les ligands qui présentent (ii) une tête polaire de composition chimique connue et (iii) une longueur de chaine carbonée contrôlée..
Un modèle confirmé par des mesures expérimentales
En effectuant des suivis d’échange de ligands, des transitions de conformation des NPLs ont été observées. Sandrine Ithurria, autrice de l’article et porteuse de l’ERC Ne2DeM explique : le fait de comprendre la mécanique fine de cet enroulement et de pouvoir la prévoir est une étape importante pour nous. Nous espérons maintenant parvenir à « contraindre » ces NPLs à s’enrouler toutes dans le même sens (actuellement on observe plutôt 50 % d’enroulement dans chaque sens), ce qui serait une voie prometteuse pour obtenir des propriétés d’émission circulairement polarisée.
Publication associée :
Chiral Helices Formation by Self-Assembled Molecules on Semiconductor Flexible Substrates
CS Nano 2022, 16, 2, 2901–2909
Publication Date:February 2, 2022
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09982