La matière nanostructurée offre des propriétés originales que l'on peut mettre à profit pour de très nombreuses applications innovantes. Les nanotubes de carbone ou le graphène en sont les exemples phares. Dans ce domaine, une collaboration rassemblant des chercheurs du LPS-Orsay et de l'IRAMIS/NIMBE montre dans une publication dans Nature-Communication [1], les propriétés remarquables de cristal liquide des suspensions colloïdales de nanotubes d'imogolite (aluminosilicate). L'organisation colonnaire observée à grande dilution est une phase originale ouvrant la voie à l'élaboration de procédés de mise en ordre des imogolites, indispensables à leurs utilisations, ou de façon générique en biophysique pour les solutions de biopolymères.
Les cristaux liquides sont actuellement utilisés pour de nombreuses applications allant des dispositifs électro-optiques d’affichage aux détergents. Ils représentent un important type de « matière molle » et sont de plus en plus employés dans les approches « bottom-up » de nanostructuration des matériaux. De plus, des organisations de type cristal-liquides sont fréquemment observées par les biologistes. Une équipe de recherche du LPS, en collaboration avec des chercheurs du CEA-Saclay (NIMBE-LIONS) a découvert que l’une des quatre principales phases cristal-liquides lyotropes*, la phase colonnaire, est en fait bien plus stable, d’un facteur 100 en concentration,,) qu’admis jusqu’à présent.
Des suspensions colloïdales de nanotubes (ou de nanobâtonnets) présentent une phase cristal-liquide colonnaire quand ils s’organisent parallèlement entre eux, sur un réseau bidimensionnel perpendiculaire à leurs axes, comme une poignée de crayons (Figure a). Jusqu’à présent, une telle organisation n’était prévue et observée que pour des suspensions concentrées où tous les nanotubes restent très proches. Toutefois, les chercheurs du LPS et du LIONS ont découvert que des suspensions très diluées de nanotubes d’argile appelée imogolite ont aussi une phase cristal-liquide colonnaire.
Les nanotubes d’imogolite sont des aluminosilicates ou aluminogermanates qui connaissent un intérêt croissant dans le domaine des nanosciences depuis une dizaine d’années. Contrairement aux nanotubes de carbone, ils sont facilement synthétisables par voie sol-gel et à basse température sous la forme de tubes mono- ou double-parois avec un diamètre monodisperse (2 à 4 nm). La présence de groupements hydroxyles en surface des parois rend ces nanotubes parfaitement hydrosolubles, ce qui permet l’obtention de suspensions aqueuses. Les observations par microscopie optique en lumière polarisée sur des suspensions très diluées (fraction volumique ~ 0.3%) révèlent la présence non seulement d’une phase nématique mais aussi d’une phase cristal-liquide différente. Les mesures de diffusion des rayons X aux petits angles (DXPA), réalisées au synchrotron SOLEIL (ligne de lumière SWING), nous ont permis de confirmer la nature colonnaire hexagonale (de paramètre b~71 nm) de cette mésophase inattendue (Figure b-d).
En phase colonnaire, en dépit de la très grande dilution, les nanotubes sont parfaitement organisés sur un réseau hexagonal de grand paramètre. Du point de vue dynamique, ce cristal-liquide dilué a une viscoélasticité si faible que les nanotubes sont facilement alignés par l'application d’un champ électrique (1 kV/cm), ce qui est nécessaire pour envisager de futures applications. Ce travail offre d’importantes implications non seulement pour l'utilisation de suspensions d'imogolites, mais de façon plus générale pour la physique statistique des suspensions colloïdales, les matériaux nanocomposites, ainsi qu’en biophysique pour les solutions de biopolymères.
Référence :
| A liquid-crystalline hexagonal columnar phase in highly-dilute suspensions of imogolite nanotubes E. Paineau, M.-E. M. Krapf, M.-S. Amara, N. V. Matskova, I. Dozov, S. Rouzière, A. Thill, P. Launois & P. Davidson, Nat. Commun. 7, 10271 (2016). |
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Le fait marquant sur le site CNRS-InP et sur le site du LPS.
Contacts / Collaboration :
- Erwan Paineau et Patrick Davidson, Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Sud, 91405 Orsay cedex, France
- Antoine Thill : Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire-LIONS, NIMBE UMR 3685 (CEA-CNRS), CEA Saclay, France.
[*] Cristal liquide lyotrope : substance obtenue par mélange avec un solvant et dont le diagramme de phase est fonction de la température (comme les thermotropes) et de la concentration. (lyotrope : du grec λυειν [lyo-] : dissolution et τροποσ, τρεπειν [-trope] : tourner, s'orienter).