Comment battre un nano-paquet de cartes

Une stratégie très prometteuse pour obtenir de nouveaux matériaux consiste à disperser des nanoparticules avec des propriétés intéressantes dans un milieu facile à mettre en forme et à manipuler. Dans de tels nanocomposites, le défi principal est de contrôler l’état d’agrégation des particules, ainsi que leur position et orientation. Des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides (Orsay) et de la ligne de lumière SWING viennent de montrer que tous ces paramètres peuvent être modifiés de manière réversible par une déformation d’étirement : il est possible de contrôler de manière réversible l’orientation et l’empilement de nano-plaquettes confinées au sein d’une matrice polymère en tirant sur le matériau.

Le nanocomposite utilisé dans cette étude consiste en une matrice de chaînes polymères à motif alterné (polystyrène ─ polybutadiène ─ polystyrène) dopée avec des plaquettes fluorescentes de CdSe, d’une épaisseur de huit atomes et une largeur 15 fois plus grande. Les plaquettes s’assemblent spontanément en paquets, confinés dans les domaines de polybutadiène (figure 1a). Avec un dispositif de traction, on impose au matériau un étirement contrôlé, tout en l’éclairant avec le faisceau intense de rayons X produit par la ligne SWING (figure 1b). L’image de diffusion ainsi enregistrée renseigne sur l’évolution de la micro-structure lamellaire et sur celle des empilements de plaquettes.

Figure 1 : a) Image en microscopie électronique du système composite. La barre d’échelle fait 50 nm. En encadré, quelques empilements de plaquettes (zoom x3). Illustration tirée de Beaudoin et al., Chem. Commun. 51, 4051 (2015). b) Schéma du montage expérimental utilisé pour les travaux décrits ici.

En accord avec la littérature existant sur ces systèmes, on observe que les domaines lamellaires se réorientent sous contrainte. Le résultat surprenant est que ce mouvement déstabilise les tas de plaquettes, les cisaille et les couche sur le côté, comme si on coupait un paquet de cartes en deux plus petits (figure 2a).

L’évolution est réversible, car une fois l’étirement relâché les empilements reviennent à leur orientation et taille initiales (figure 2b). De surcroît, on peut inhiber le processus en renforçant l’interaction des plaquettes dans les tas par un excès d’acide oléique, la molécule qui les rend compatibles avec la matrice.

Figure 2 : a) Evolution d’un empilement de plaquettes sous contrainte : le paquet initial est cisaillé et ensuite partagé en deux sous-paquets avec une orientation perpendiculaire à celle du début. b) Cette transformation est réversible : le nombre de plaquettes (déterminé à partir des images de diffusion des rayons X) revient à la valeur initiale une fois la contrainte enlevée.

Cette découverte soulève des questions fondamentales sur l’interaction des nano-objets avec leur environnement, mais suggère aussi de nouvelles voies pour élaborer et fabriquer des matériaux composites avec des propriétés originales.