Auto-assemblage capillaire de microgels ellipsoïdaux mous à l’interface air-eau

Contexte de la recherche

L’adsorption de particules colloïdales ellipsoïdales à l’interface fluide (comme l’interface air-eau) induit une déformation de l’interface, ce qui entraîne des interactions anisotropes médiées par l’interface et la formation de superstructures. Les microgels ellipsoïdaux mous, en raison de leur rapport d’aspect ajustable, de leur fonctionnalité contrôlée et de leur douceur, constituent un modèle idéal pour étudier l’auto-assemblage spontané induit par la capillarité. Ces microgels sont composés d’un noyau de polystyrène (PS) entouré d’une coque de poly(N-isopropylméthacrylamide) (PNIPMAM) réticulée et marquée par fluorescence. En étirant uniaxialement les particules intégrées dans des films de polyalcool de vinyle (PVA), le rapport d’aspect () peut être finement ajusté. Les études montrent que le rapport d’aspect varie de 1 à 8,8, et l’auto-assemblage de ces microgels à l’interface air-eau a été étudié par microscopie à fluorescence, calculs théoriques et simulations informatiques. Avec l’augmentation du rapport d’aspect, l’auto-assemblage des microgels passe d’une structure apparemment aléatoire à des agrégats compacts, puis à des chaînes longues formées par un assemblage latéral. L’influence de la coque PNIPMAM sur l’assemblage indique que la déformation des microgels dépend fortement du rapport d’aspect, ce qui détermine à son tour la distance moyenne entre les particules. Ainsi, l’auto-assemblage capillaire de colloïdes anisotropes mous devient un mécanisme puissant pour structurer les interfaces et concevoir des matériaux microstructurés.

Équipe de recherche et informations sur la publication

Cette recherche a été menée par Nabanita Hazra, Andrey A. Rudov, Jiarul Midya et d’autres chercheurs de l’Université technique de Rhénanie-Westphalie (RWTH Aachen University), de l’Institut Leibniz pour les matériaux interactifs (DWI Leibniz-Institute for Interactive Materials), de l’Université d’État de Moscou (Lomonosov Moscow State University) et d’autres institutions. L’article a été publié le 20 décembre 2024 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), sous le titre Capillary-Driven Self-Assembly of Soft Ellipsoidal Microgels at the Air–Water Interface.

Processus de recherche et conception expérimentale

1. Préparation et caractérisation des microgels

La recherche a d’abord synthétisé des microgels sphériques à noyau-coque par polymérisation en émulsion, avec un noyau de polystyrène (PS) et une coque de PNIPMAM réticulée. Ensuite, des microgels ellipsoïdaux avec différents rapports d’aspect ont été préparés en étirant uniaxialement des films de PVA contenant les microgels. Le rapport d’étirement (draw ratio, ) variait de 1,5 à 5,0. La morphologie des microgels a été caractérisée par microscopie électronique à transmission (TEM) et microscopie confocale à balayage laser (CLSM), confirmant leur structure noyau-coque et leur anisotropie.

2. Auto-assemblage des microgels à l’interface air-eau

L’étude a utilisé la microscopie à fluorescence pour observer le comportement d’auto-assemblage des microgels à l’interface air-eau. Les expériences ont été menées dans des conditions diluées (0,01 % en poids) avec une conception de cellule magnétiquement fermée pour assurer la stabilité de l’échantillon pendant 24 heures. Les résultats ont montré que les microgels sphériques étaient principalement présents sous forme de particules individuelles à l’interface, tandis que les microgels ellipsoïdaux s’assemblaient rapidement en structures plus grandes. Avec l’augmentation du rapport d’étirement, l’auto-assemblage des microgels est passé de structures d’agrégats désordonnées à des chaînes latérales longues.

3. Calculs théoriques et simulations informatiques

Pour comprendre le mécanisme d’auto-assemblage des microgels, des calculs théoriques et des simulations informatiques ont été réalisés. Un modèle à gros grains a été utilisé pour simuler le comportement des microgels ellipsoïdaux avec différents rapports d’aspect à l’interface air-eau. Les simulations ont montré que la déformation des microgels à l’interface était principalement latérale, et que les interactions capillaires entre les microgels augmentaient avec le rapport d’aspect, conduisant à une transition d’un assemblage triangulaire à un assemblage latéral.

Principaux résultats de la recherche

1. Morphologie et déformation des microgels

La caractérisation par TEM et CLSM a montré que les microgels conservaient une bonne monodispersité et une structure noyau-coque pendant le processus d’étirement. Avec l’augmentation du rapport d’étirement, les axes longs et courts des microgels changeaient, et le rapport d’aspect augmentait de manière significative. À l’interface air-eau, la déformation des microgels se manifestait principalement par une expansion latérale, ce qui entraînait un rapport d’aspect inférieur à celui en solution.

2. Transition du comportement d’auto-assemblage

L’étude a révélé qu’avec l’augmentation du rapport d’aspect des microgels, leur comportement d’auto-assemblage passait de structures d’agrégats désordonnées à des chaînes latérales longues. Une analyse par triangulation de Delaunay a permis de quantifier les modes d’assemblage des microgels pour différents rapports d’étirement, montrant que la transition d’un assemblage triangulaire à un assemblage latéral se produisait pour des rapports d’aspect compris entre 1,68 et 2,08.

3. Déformation de l’interface et interactions capillaires

Les simulations informatiques ont montré que la déformation des microgels à l’interface dépendait fortement de leur rapport d’aspect. Les résultats des simulations ont indiqué que la déformation des microgels était principalement latérale, et que les interactions capillaires entre les microgels augmentaient avec le rapport d’aspect. Cette interaction a conduit à une transition d’un assemblage triangulaire à un assemblage latéral.

Conclusion et signification de la recherche

Cette étude a révélé le comportement d’auto-assemblage induit par la capillarité des microgels ellipsoïdaux mous à l’interface air-eau. Les résultats montrent que le rapport d’aspect et la douceur des microgels ont un impact significatif sur leur comportement d’auto-assemblage. Avec l’augmentation du rapport d’aspect, l’auto-assemblage des microgels passe de structures d’agrégats désordonnées à des chaînes latérales longues. Cette transition est principalement due à la déformation latérale des microgels à l’interface et à l’augmentation des interactions capillaires. Les simulations informatiques ont validé les résultats expérimentaux, fournissant une compréhension plus approfondie du mécanisme de déformation des microgels à l’interface.

Cette recherche offre de nouvelles perspectives pour la conception et la fabrication de matériaux microstructurés, en particulier dans les domaines de la livraison de médicaments et de la catalyse hétérogène. De plus, elle met en lumière la relation complexe entre la déformation des colloïdes mous à l’interface et les interactions capillaires, fournissant une base théorique importante pour les études futures sur le comportement des colloïdes mous aux interfaces.

Points forts de la recherche

1. Conception expérimentale innovante : La préparation de microgels ellipsoïdaux avec différents rapports d’aspect par étirement uniaxial et l’étude systématique de leur auto-assemblage à l’interface air-eau.
2. Caractérisation multi-échelle et simulations : Combinaison de techniques expérimentales (TEM, CLSM, microscopie à fluorescence) et de simulations informatiques pour une compréhension complète de la déformation et du mécanisme d’auto-assemblage des microgels.
3. Découverte scientifique importante : La déformation latérale des microgels à l’interface et l’augmentation des interactions capillaires avec le rapport d’aspect conduisent à une transition d’un assemblage triangulaire à un assemblage latéral.
4. Potentiel d’application : Cette recherche ouvre de nouvelles voies pour la conception de matériaux microstructurés, en particulier dans les domaines de la livraison de médicaments et de la catalyse hétérogène.

Autres informations utiles

L’étude a également utilisé la microscopie à force atomique (AFM) pour caractériser davantage le comportement d’assemblage des microgels à l’interface, confirmant leur rigidité locale et leur déformation sur un substrat solide. De plus, la recherche a exploré la relation complexe entre la déformation des microgels à l’interface et les interactions capillaires, fournissant une base théorique importante pour les études futures sur le comportement des colloïdes mous aux interfaces.