Une nouvelle méthode de reconstruction 3D facilite l’analyse des défauts définissant les propriétés

Une collaboration de recherche internationale, incluant un groupe de Cornell Engineering, a appliqué une nouvelle technique de reconstruction basée sur les rayons X pour observer, pour la première fois, des défauts topologiques dans une structure de réseau cubique basée sur l’auto-assemblage à l’échelle nanométrique d’un matériau composite polymère-métal imagé sur un volume d’échantillon relativement grand.

À l’avenir, cette technique et les nouvelles connaissances acquises sur les matériaux pourraient être appliquées à l’étude d’autres structures mésoscopiques présentant cette classe de défauts – qui sont connus pour être à l’origine de nombreux phénomènes physiques connus et peuvent engendrer des propriétés matérielles nouvelles ou améliorées – dans des matériaux auto-assemblés, à la fois naturels et synthétiques.

« Il s’agit d’un nouveau polymère, d’une nouvelle structure et d’une nouvelle technique qui a permis de reconstituer des volumes d’échantillons sans précédent », a déclaré Ulrich Wiesner, professeur Spencer T. Olin au département de science et d’ingénierie des matériaux. « C’est vraiment la clé : si vous disposez de 70 000 cellules unitaires d’un matériau, au lieu de seulement quelques dizaines de cellules unitaires, vous pouvez vraiment commencer à examiner attentivement la structure des défauts : quel type de défauts et à quelle fréquence ces défauts se produisent ? »

Wiesner est co-auteur de « High-resolution Three-dimensional Imaging of Topological Textures in Nanoscale Single-diamond Networks », qui a été publié le 23 juillet dans La nanotechnologie naturelleL’auteur correspondant est Justin Llandro, professeur adjoint à l’Institut de recherche en communication électrique de l’Université Tohoku, à Sendai, au Japon.

Wiesner, dont le groupe de recherche travaille sur l’auto-assemblage de copolymères séquencés (BCP SA) depuis son arrivée à Cornell il y a 25 ans, a supervisé la synthèse du matériau terpolymère tribloc utilisé dans l’étude. La synthèse a été réalisée par Takeshi Yuasa et Hiroaki Sai, tous deux anciens membres du groupe Wiesner.

La question concernant l’importance des défauts dans les matériaux générés par BCP SA a toujours été insaisissable, a déclaré Wiesner, en partie parce que les technologies nécessaires pour mesurer des volumes d’échantillons suffisamment grands – avec des structures de défauts proportionnellement plus grandes – ont été lentes à se développer.

La nouvelle technologie, la ptychographie à rayons X durs, réalisée à la Source de Lumière Suisse (SLS), à l’Institut Paul Scherrer en Suisse, est une forme avancée de tomographie qui peut pénétrer plus profondément dans un matériau que ce que permettent les faisceaux des microscopes électroniques. Cette technique a permis aux chercheurs de reconstituer un très grand volume d’échantillon d’un matériau composite polymère-métal dérivé du BCP SA.

« Si vous avez un défaut plus petit, comme un défaut de ligne ou de point, lorsque vous perturbez le système, vous pouvez souvent « corriger » la structure du défaut », a déclaré Wiesner. « En revanche, les défauts topologiques sont si gros qu’ils sont très stables face aux perturbations externes. »

Une fois le terpolymère tribloc synthétisé, les chercheurs du groupe d’Ulli Steiner à l’Institut Adolphe Merkle de Fribourg, en Suisse, collaborateur de longue date de Wiesner, ont généré des films minces à partir de celui-ci et ont remplacé l’un des blocs de terpolymère par de l’or, afin que le matériau puisse résister à une exposition répétée aux faisceaux intenses de rayons X cohérents du SLS.

L’imagerie et la reconstruction d’images au SLS ont finalement révélé un réseau co-continu connu sous le nom de structure en diamant unique, avec des défauts topologiques qui, selon les chercheurs, auraient des effets substantiels sur les propriétés mécaniques et autres. Il est important de noter que les défauts ressemblent beaucoup aux textures topologiques trouvées dans les cristaux liquides nématiques et dans les organismes unicellulaires Hydra, ce qui suggère que l’auto-assemblage peut être utilisé comme processus modèle pour étudier le rôle de la topologie dans la nature.

Wiesner a déclaré que cette recherche collaborative pourrait ouvrir la voie à de futures études dans un domaine que son laboratoire a déjà exploré : les supraconducteurs dirigés par des copolymères séquencés.

« On pourrait s’attendre à ce que les propriétés macroscopiques, électroniques ou de transport du supraconducteur dépendent des défauts de vos matériaux », a-t-il déclaré. « C’est ce qui m’enthousiasme vraiment : nous disposons désormais d’une technique qui nous permet de visualiser de plus grands volumes de ces matériaux et de générer des corrélations entre la structure des défauts et les propriétés. »

D’autres collaborateurs venaient de l’Institut Paul Scherrer, de l’Institut Adolphe Merkle de l’Université de Fribourg, tous deux en Suisse ; de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides, à Dresde, en Allemagne ; de l’Université de Salzbourg, en Autriche ; de l’Université d’Hiroshima et de l’Institut de recherche scientifique Inamori, à Kyoto, tous deux au Japon.