Institut Charles Sadron News

L'assemblage régulier d'objets identiques est un problème fondamental (qui a fasciné les naturalistes depuis l'Antiquité) mais aussi avec des applications de plus en plus importantes aux nanomatériaux, puisque ces derniers sont souvent obtenus à partir de briques élémentaires dont la forme contrôle les propriétés. Les nanoparticules fusiformes (allongées et à bouts pointus) sont très prometteuses à cet égard, mais leur empilement n'avait jamais été résolu.

Une collaboration rassemblant l'ICS (CNRS/Université de Strasbourg), le LPS (CNRS/Université Paris-Saclay), le synchrotron SOLEIL et des collègues espagnols, a démontré que des bipyramides pentagonales en or forment un réseau triclinique, la plus faible symétrie possible. En plus, la réponse optique des assemblages ainsi obtenus dépend de l'orientation des facettes exposées, ouvrant la perspective d'applications dans la détection d'analytes très dilués. Ce travail a été publié dans la revue Advanced Materials et a fait l'objet d'un fait marquant de l'Institut de physique (INP) du CNRS.

Figure 1: A) Le pavage du plan par des pentagones réguliers. B) L'assemblage de bipyramides pentagonales dans l'espace.

Cette surprenante perte de symétrie peut être comprise à travers une analogie avec le pavage du plan par des pentagones réguliers (Figure 1A) : les objets individuels ont un axe de rotation C₅, mais pour couvrir tout le plan ils doivent s'associer par deux afin de retrouver un centre d'inversion I. Ce faisant, ils réduisent pourtant leur symétrie de rotation à l'ordre 2.

De manière tout à fait similaire, les bipyramides s'associent dans une structure triclinique, avec deux particules par maille (Figure 1B). Ce résultat a été obtenu par la diffusion des rayons X et par de la microscopie électronique. Des simulations numériques reproduisent la symétrie et la densité de l'empilement, confirmant qu'il s'agit de la solution la plus compacte possible.

Cet aller-retour fructueux entre synthèse, caractérisation et modélisation permet ainsi de résoudre un problème de mathématiques « pures », mais aussi d'obtenir un matériau avec des propriétés inattendues.

Référence

Double-lattice packing of pentagonal gold bipyramids in supercrystals with triclinic symmetry

Jieli Lyu, Wajdi Chaabani, Evgeny Modin, Andrey Chuvilin, Thomas Bizien, Frank Smallenburg, Marianne Impéror-Clerc, Doru Constantin, Cyrille Hamon

Adv. Mater. (2022), sous presse.

DOI : 10.1002/adma.202200883

Contact

Frank Smallenburg, Marianne Impéror-Clerc, Doru Constantin, Cyrille Hamon