La capacité de suivre l’écoulement à l’échelle nanométrique dans la matière molle pourrait s’avérer une découverte cruciale

Depuis près de 70 ans, Play-Doh amusait les enfants avec sa forme malléable et spongieuse. Cette substance familière appartient à une catégorie plus large connue sous le nom de matière molle, qui comprend certains aliments (comme la mayonnaise), les gels d’imprimante 3D, les électrolytes de batterie et la peinture au latex.

Des scientifiques du laboratoire national d’Argonne du département américain de l’énergie (DOE) et de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’université de Chicago annoncent une avancée majeure pour une meilleure compréhension et une amélioration des propriétés d’écoulement de la matière molle à l’échelle atomique (nano). Cette avancée repose sur une technique de pointe appelée spectroscopie de corrélation de photons X (XPCS).

La recherche est publiée dans PNAS.

« La matière molle se déforme facilement », explique Matthew Tirrell, conseiller principal et scientifique principal à Argonne et professeur émérite à l’Université de Chicago. « Ses propriétés sont très sensibles aux stimuli extérieurs, comme une force, un changement de température ou une réaction chimique. »

Tirrell a donné l’exemple de la peinture. Lorsque la peinture est appliquée sur les murs, des flux extrêmement complexes se produisent à l’échelle nanométrique, mais lorsque le brossage ou le roulage sont arrêtés, on veut que le flux s’arrête pour que la peinture ne coule pas sur le mur.

« En un mot, nous avons développé une nouvelle technique pour caractériser les fluctuations complexes que subissent les nanoparticules de matière molle lorsqu’elles sont soumises à une force appliquée ou à un changement de température », a déclaré HongRui He, étudiant diplômé et auteur principal, qui a travaillé sur ce projet dans le cadre du programme de recherche coopérative pour diplômés. Dans le cadre de ce programme, il poursuit son doctorat à l’Université de Chicago tout en menant ses recherches à Argonne.

Jusqu’à présent, personne n’a pu déterminer avec précision le comportement de l’écoulement et les interactions de ces nanoparticules au fil du temps et les corréler avec les propriétés d’écoulement en vrac. « Les expériences XPCS précédentes nécessitaient de faire la moyenne des données collectées, ce qui a conduit à la perte d’informations cruciales sur les processus complexes à l’échelle nanométrique », a noté Wei Chen, chimiste à Argonne.

La méthode innovante de l’équipe permet aux scientifiques de déterminer un facteur clé, le coefficient de transport, à partir des données XPCS. Ce coefficient mesure le flux dans un matériau. Sa détermination est essentielle pour comprendre comment la matière molle se déplace et évolue au fil du temps en réponse à un stimulus externe.

Pour obtenir les données XPCS nécessaires, il faut un faisceau de rayons X spécial comme celui disponible à l’Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Argonne. Ce faisceau est sensible à tout désordre dans le matériau au fil du temps à l’échelle nanométrique.

L’équipe a testé sa méthode XPCS avec un matériau souple complexe, un mélange dense de particules sphériques chargées dans une solution saline. Le cisaillement était la force appliquée au matériau sur la ligne de faisceau 8-ID-I de l’APS.

« Le cisaillement se produit lorsque vous étalez une lotion épaisse sur vos mains et que vous les frottez ensemble », explique Suresh Narayanan, physicien et chef de groupe à l’APS.

Les résultats du cisaillement ont fourni des informations précieuses sur les propriétés d’écoulement et les déformations changeantes de ce mélange contenant du sel. Au début, trois bandes de nanoparticules se sont formées : à mouvement rapide, à mouvement lent et statique.

Au bout de 15 secondes, la bande à déplacement rapide a disparu. Environ 40 secondes plus tard, les trois bandes sont revenues. Ces résultats dépassent la portée des méthodes d’analyse actuelles et marquent un grand pas en avant pour l’analyse XPCS pertinente pour de nombreux types différents de matière molle.

« Le développement de XPCS est très opportun pour les travaux futurs en raison de l’augmentation significative de la luminosité du faisceau grâce à la mise à niveau de l’APS », a déclaré Narayanan. « De plus, il offre un potentiel pour l’étude de phénomènes naturels, tels que les glissements de terrain, les tremblements de terre et la croissance de la plaque dans les artères. La compréhension de ces fluctuations de flux à l’échelle nanométrique pourrait aider à prédire les changements futurs à plus grande échelle. »

La mise à niveau en cours de l’APS comprend une toute nouvelle série de lignes de lumière à 8-ID dédiées au XPCS. Les nouvelles lignes de lumière utiliseront le faisceau de rayons X amélioré pour améliorer les recherches sur le XPCS à l’avenir. De nouvelles expériences devraient commencer à l’APS modernisé plus tard en 2024.

L’équipe a utilisé le Centre des matériaux à l’échelle nanométrique, une autre installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE à Argonne, pour caractériser les particules dans la solution saline.