Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

Dans le monde des minuscules particules en suspension dans un liquide, appelées colloïdes, la manière dont les choses s'assemblent dépend fortement de leur forme et de l'emplacement de leurs points d'adhérence. Imaginez une foule de personnes essayant de former une file ; si tout le monde est parfaitement rond et aussi amical envers tout le monde, ils se serreront naturellement le plus possible, sans laisser de vides. Cependant, si vous donnez à ces personnes une règle spécifique — par exemple, qu'elles ne peuvent tenir la main que de deux personnes spécifiques debout de chaque côté d'elles, et qu'elles ont la forme de longs ovales plutôt que de cercles — le résultat est totalement différent. Au lieu d'un bloc solide et compact, elles sont forcées de s'organiser en réseaux ouverts et poreux avec des trous au milieu. Les scientifiques s'intéressent depuis longtemps à ces structures ouvertes car leurs formes uniques peuvent contrôler la façon dont la lumière passe à travers elles ou dont les fluides circulent à travers elles, des propriétés qui sont vitales pour la création de matériaux avancés. Un exemple célèbre d'une telle structure est le réseau kagome, un motif ressemblant à un panier tressé qui est hautement ordonné tout en étant rempli d'espaces vides.

Des chercheurs de l'Université technique de Vienne ont récemment exploré comment le changement de forme de ces particules collantes, passant de sphères à des ellipses allongées, modifie la façon dont elles construisent ces réseaux. Ils ont utilisé des simulations informatiques pour observer des milliers de ces particules de forme ovale, chacune possédant deux points collants aux extrémités opposées, alors qu'elles s'assemblaient sous différentes conditions de température et de concentration. Leur objectif était de voir si le changement de forme ferait simplement apparaître les mêmes motifs différemment, ou s'il changerait fondamentalement les règles de la façon dont les particules se trouvent et se verrouillent en place. Ils ont découvert que, bien que les particules forment toujours le magnifique réseau kagome, le chemin qu'elles ont emprunté pour y parvenir était étonnamment direct. Contrairement à leurs homologues rondes, qui construisent généralement de longues chaînes d'abord pour ensuite les réorganiser en le motif final, ces particules ovales ont sauté directement à la structure finie.

L'équipe a observé qu'en ajustant la température et la densité des particules, elle pouvait régler le système pour qu'il soit soit un cristal parfaitement ordonné, soit un réseau désordonné et désordonné. Lorsque les conditions étaient idéales, les particules formaient une grille régulière où chaque trou était une boucle parfaite de six particules. À mesure qu'elles rendaient l'environnement plus encombré ou plus froid, cet ordre commençait à se décomposer. Les boucles parfaites commençaient à se déformer, créant des trous avec cinq ou sept côtés, et finalement, le réseau devenait un mélange chaotique de différentes formes. Pour comprendre ce chaos, les chercheurs ont développé une nouvelle façon de cartographier les connexions. Au lieu de simplement compter combien de particules se touchent, ils ont suivi exactement quels points collants étaient connectés. Cela leur a permis de voir que les particules ovales possédaient une flexibilité unique ; elles pouvaient plier leurs connexions plus facilement que les particules rondes, ce qui semblait les aider à sauter l'étape intermédiaire de la formation de chaînes pour aller directement à la construction du réseau complexe.

L'étude a également révélé que la façon dont ces réseaux se décomposent n'est pas aléatoire. À mesure que l'ordre disparaît, les trous dans le réseau ne font pas que s'agrandir ; ils changent de caractère. Les chercheurs ont constaté que le réseau développait une préférence pour les trous à cinq côtés par rapport aux trous à sept côtés, un déséquilibre spécifique qui avait été observé dans d'autres types de particules collantes, mais qui était maintenant confirmé dans ces formes ovales. Ce changement suggère que la forme ovale facilite la formation de certains types de défauts tout en rendant d'autres plus difficiles à atteindre. L'équipe a également repéré des structures étranges, de type échelle, se formant dans les régions désordonnées, qui pourraient entrer en compétition avec le motif kagome pour la dominance, bien qu'ils n'aient pas encore pu prouver quelle structure est la plus stable.

La découverte la plus significative concernait peut-être la manière dont les particules s'assemblaient à partir de rien. Dans les simulations de particules rondes, les scientifiques avaient précédemment observé un processus en deux étapes : les particules se regroupaient d'abord en longues chaînes filamenteuses, puis plus tard, ces chaînes se démêlaient et se réorganisaient en le réseau final. Les particules ovales, cependant, ne l'ont pas fait. Lorsque les chercheurs ont abaissé la température pour déclencher l'assemblage, les particules ont formé les boucles ordonnées immédiatement, sans jamais passer par un stade de longues chaînes. Cela suggère que la forme allongée des particules offre une forme de liberté différente, permettant de trouver leurs positions correctes dans le réseau de manière beaucoup plus directe. Les chercheurs ont noté qu'à des températures plus basses, les noyaux de ces nouvelles structures devenaient plus rugueux et plus ramifiés, remplis de plus de défauts à cinq côtés, indiquant que la vitesse d'assemblage se faisait au détriment d'une perfection de lissage.

Ce travail constitue un exemple clair de la façon dont un simple changement de géométrie — étirer une sphère en une ellipse — peut réécrire les règles de l'auto-assemblage. Il montre que le chemin qu'un matériau emprunte pour se former est tout aussi important que la forme finale qu'il finit par adopter. En introduisant une nouvelle méthode pour cartographier les connexions entre les points collants, les chercheurs se sont dotés d'un outil puissant pour regarder à l'intérieur de ces réseaux, distinguant entre les liaisons simples et les boucles complexes qui étaient auparavant invisibles pour une analyse standard. Bien que l'étude ait été menée entièrement par des simulations informatiques, les résultats offrent une hypothèse convaincante sur la façon dont la forme influence la formation de matériaux complexes. Les résultats suggèrent qu'en concevant des particules avec des formes et des points collants spécifiques, les scientifiques pourraient guider la formation de matériaux avec une porosité et un ordre précisément contrôlés, ouvrant de nouvelles portes pour l'ingénierie de matériaux capables de filtrer, de détecter ou de conduire la lumière de manières actuellement impossibles.