L'auto-assemblage de nanoparticules est une voie prometteuse pour créer des matériaux fonctionnels aux propriétés optiques et catalytiques uniques. Cependant, les méthodes existantes exigent souvent des ligands coûteux, des procédures complexes et souffrent d'une mauvaise reproductibilité. Ce travail se démarque : les voisins les plus proches dans l'archive concernent des pièges à lumière pour nanoparticules, des cartes de cristaux et des « écouteurs » magnétiques pour qubits, mais aucun ne résout le problème du contrôle de la morphologie d'ensembles de nanoparticules par un simple réglage du substrat. Les auteurs comblent cette lacune en proposant un mécanisme fondé sur les forces de déplétion, sensibles à la forme et à la rugosité de la surface.
La méthode MIDAS utilise trois composants : des nanocubes d'or monodispersés (50 nm, dispersion de 1,3 %), des micelles de tensioactif BDAC qui créent les forces de déplétion, et un substrat solide. On dépose une goutte de suspension de cubes avec les micelles sur le substrat et on l'incube à 25 °C pendant 2 à 3 heures. Ensuite, on rince l'excès de solution avec une solution concentrée de BDAC pour éviter le désassemblage de la structure. L'observation de la croissance a été réalisée en temps réel avec un microscope optique inversé. La structure a été caractérisée par microscopie électronique à balayage, GI-SAXS et microscopie à force atomique. En parallèle, des simulations de Monte-Carlo cinétique et des calculs dans le cadre de la théorie du champ moyen ont été menés.
Sur une plaque de silicium lisse (Sa = 0,07 nm), des monocouches bidimensionnelles de nanocubes se sont formées, avec une taille moyenne de domaine de 11 ± 3 µm et un taux de couverture d'environ 60 %. L'espacement entre particules était d'environ 2 nm. Sur du verre borosilicate (Sa = 0,16 nm), des îlots cubiques tridimensionnels sont apparus, avec une arête moyenne de 14 ± 3 µm et un nombre typique de couches de 4 ± 1. L'espacement entre les cubes dans les structures 3D était d'environ 4 nm. L'observation en temps réel a montré que sur un substrat lisse, les germes apparaissent dans la première minute et que la croissance de la monocouche s'achève en 40 minutes. Sur le verre, le processus prenait plus d'une heure, avec une nucléation séquentielle des deuxième et troisième couches. La variation de la rugosité des plaques de silicium de 0,07 à 13,4 nm a permis de construire un diagramme de phases : pour Sa < 2 nm, des monocouches se forment ; pour Sa > 4 nm, des cristaux 3D. Les calculs du potentiel de déplétion ont montré que sur une surface lisse, l'énergie moyenne d'attraction d'un cube vers le substrat est de −5,9 kBT, alors que sur une surface rugueuse, elle n'est que de −1,6 kBT avec une grande dispersion.
Ce travail se distingue de ses voisins dans l'archive par le fait qu'il utilise non pas des champs optiques ou magnétiques, mais la simple géométrie de la surface pour contrôler l'auto-assemblage. C'est la première démonstration que la rugosité du substrat à l'échelle nanométrique peut servir d'interrupteur entre une croissance bidimensionnelle et tridimensionnelle. L'approche ne nécessite pas de ligands spécifiques et s'applique à différents matériaux et formes de nanoparticules, ce qui en fait une plateforme universelle pour créer des métamatériaux, des capteurs et des catalyseurs.
Le sujet pourrait évoluer vers l'utilisation d'autres agents de déplétion aux tailles de micelles variées, ce qui permettrait d'ajuster finement la force de déplétion. Il serait intéressant d'étudier l'influence de la forme des nanoparticules (octaèdres, bâtonnets) sur la sélectivité de l'assemblage. La création d'hétérostructures multicouches à partir de matériaux différents est également prometteuse. La modélisation pourrait être étendue pour prédire les conditions d'assemblage optimales pour des applications spécifiques.
La méthode aura un impact sur les domaines de la plasmonique, de la photonique, de l'électronique, de la détection et de la catalyse, où l'on a besoin de réseaux ordonnés de nanoparticules avec des espacements contrôlés et de grandes surfaces.
L'étape suivante pourrait être l'optimisation des conditions pour obtenir des domaines monocristallins encore plus grands et réduire le nombre de défauts. Il est également important de vérifier la reproductibilité de la méthode à l'échelle industrielle et avec d'autres types de nanoparticules.
Ce travail est directement lié au problème fondamental de l'auto-assemblage contrôlé de nanoparticules en structures ordonnées aux propriétés définies. Il montre comment des interactions physiques simples peuvent remplacer une fonctionnalisation chimique complexe, ouvrant la voie à une production à grande échelle de nanomatériaux.
La différence de rugosité entre une plaque de silicium lisse et du verre borosilicate n'est que de 0,09 nm, soit moins que le diamètre d'un atome d'or (0,288 nm), mais cela suffit à changer radicalement le type d'assemblage.