Auto-assemblage de nanoparticules dans des gouttes en lévitation au cours du séchage
Comment les nanoparticules s'organisent-elles lorsqu'une goutte de liquide sèche ? Une nouvelle étude met en évidence le rôle déterminant des tensioactifs dans la formation de matériaux plasmoniques ordonnés.
Des scientifiques du LPS (CNRS/Université Paris-Saclay), de l'ICS (CNRS/Université de Strasbourg), de SOLEIL (ligne de lumière SWING) et du CIC nanoGUNE (San Sebastian, Espagne) ont apporté un nouvel éclairage sur cette question grâce à l'auto-assemblage induit par évaporation (Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA) dans des gouttes en lévitation. Ils ont étudié la dynamique de séchage de nanobâtonnets d'argent en présence d'un tensioactif couramment utilisé, le chlorure de cétyltriméthylammonium (CTAC).
À l'aide d'une approche expérimentale innovante reposant sur des gouttes en lévitation — développée conjointement par le LPS et la ligne de lumière SWING —, l'équipe a pu suivre, en temps réel et sans contact, l'évolution structurale des nanoparticules tout au long de l'évaporation. Les résultats remettent en question une conception largement admise de l'EISA, qui consiste à considérer que l'augmentation progressive de la concentration au cours du séchage est le principal moteur de la formation de structures ordonnées. Or cette étude montre que la concentration initiale en tensioactif constitue en réalité le paramètre déterminant pour l'émergence de super-réseaux de nanoparticules. Son influence dépasse celle de la concentration en nanoparticules, voire celle de leur morphologie.
Les chercheurs montrent que les micelles de tensioactif jouent un double rôle, qui évolue au cours du processus. Dans les premières étapes, elles agissent comme agents de déplétion, c’est-à-dire en induisant des interactions attractives qui déclenchent la nucléation et la croissance d'assemblages ordonnés de nanobâtonnets. Par la suite, à mesure que leur concentration augmente, ces mêmes micelles subissent une transition de phase vers un état de type gel, qui fige le processus d'auto-assemblage des nanoparticules. En combinant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) résolue en temps et des analyses SAXS en microfaisceau sur la ligne SWING avec des observations complémentaires par microscopie électronique (I2BC et nanoGUNE), l'équipe a également montré que l'organisation des nanoparticules se met en place avant le séchage complet et s'étend à l'ensemble de la goutte, conduisant à une organisation radiale des nanobâtonnets à l'échelle mésoscopique.
Ces résultats fournissent des recommandations concrètes pour concevoir de manière reproductible des super-réseaux de nanoparticules, et ouvrent de nouvelles perspectives pour la fabrication de métamatériaux plasmoniques, de structures photoniques et de nanodispositifs fonctionnels.