Un instrument novateur étudie les nanoparticules d'or en profondeur

Pendant des siècles, les artistes ont utilisé des nanoparticules d'or, parce qu'elles produisent des couleurs vibrantes lorsqu'elles sont frappées par le soleil. Leurs propriétés optiques et électroniques ont placé les nanoparticules d'or au centre de la recherche sur les cellules solaires, les capteurs, la chimiothérapie, l'administration de médicaments, les applications biologiques et médicales, et les conducteurs électroniques. Les propriétés des nanoparticules d'or peuvent être modulées en modifiant leur taille, leur forme, leur chimie de surface, etc. Toutefois, maîtriser ces divers aspects est difficile.

Les chercheurs dirigés par Fabrizio Carbone à l'EPFL, qui publient dans Nano Letters, ont réalisé une étude inédite sur la structure des nanoparticules d'or. En collaboration avec le laboratoire de Francesco Stellacci (EPFL), les chercheurs y sont parvenus au moyen d'un dispositif nommé «diffractomètre d'électrons à résolution temporelle à petit angle», qui leur permet d'étudier les arrangements structurels des nanoparticules d'or à des vitesses ultra-rapides – de l'ordre du quadrillonnième de seconde.

Le diffractomètre est intéressant en lui-même dans la mesure où il utilise une alternative bon marché à une technique très coûteuse: le laser à électrons libres (FEL en anglais). Le FEL utilise des électrons pour générer des rayons X capables d'«étudier» des molécules jusqu'au niveau atomique – en milliardièmes de mètre. Un instrument aussi puissant revient normalement à plus d'un milliard de dollars. Mais en 2010, des chercheurs des Pays-Bas ont développé une méthode alternative ironiquement appelée «le FEL du pauvre», qui examine les matériaux au moyen d'un faisceau d'électrons à impulsions ultra-rapides, et obtient des résultats similaires.

Dans cette étude, les chercheurs ont développé un diffractomètre qui utilise le «FEL du pauvre» et exploite la haute sensibilité qu'ont les électrons pour interagir avec la matière. L'instrument peut étudier des mono-couches et des échantillons très minces contenant des éléments légers, par exemple de l'hydrogène et du carbone. Et lorsqu'on a affaire à des agrégats denses et à de petites molécules, le diffractomètre d'électrons à résolution temporelle à petit angle peut atteindre la sensibilité extrême d'un FEL traditionnel, mais pour un fraction du coût: moins d'un million de dollars.

Sur la piste de l'or

Avec cette approche, les chercheurs de l'EPFL ont pu obtenir un film dans lequel les changements de structure de nanoparticules d'or provoqués par la lumière ont été capturés à la résolution atomique à la fois dans le temps et dans l'espace.

Ces expériences montrent que des molécules de ligand attachées à des nanoparticules d'or peuvent se rassembler et s'ordonner elles-mêmes selon des orientations préférentielles, ce qui est central pour créer des nanostructures ordonnées. Plus frappante encore fut la découverte que la lumière elle-même peut induire de telles phénomènes d'organisation, ce qui offre un outil unique en vue de contrôler la physique des nanoparticules, avec un grand potentiel pour des applications opto-électroniques telles que les cellules solaires photovoltaïques organiques (OPV en anglais).

«L'étude apporte la preuve de la fiabilité du concept selon lequel le diffractomètre d'électrons à résolution temporelle à petit angle permets l'investigation systématique des propriétés structurelles de matériaux nano-assemblés.» Les auteurs s'attendent à ce que cela ait une incidence significative sur de multiples applications, notamment le traitement des signaux, la biologie et même la distribution de médicaments à l'avenir.

Ce travail a été financé par le Fonds National Suisse.

Source

Mancini GF, Latychevskaia T, Pennacchio F, Reguera J, Stellacci F, Carbone F. Order/disorder dynamics in a dodecanethiol-capped gold nanoparticles supracrystal by small-angle ultrafast electron diffraction.Nano Letters 26 February 2016. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00355