De la lumière pour construire un réseau de nanosphères

Des chercheurs britanniques, sous la direction du professeur Colin Bain de l’Université de Durham, sont parvenus, à l’aide de deux faisceaux lasers, à assembler un réseau à deux dimensions et bien ordonné de nanosphères. Leur méthode consiste à piéger des nanosphères de polystyrène avec de la lumière diffusée au préalable par un prisme. Ainsi, deux faisceaux lasers interfèrent à la surface d’un prisme de silicium. L’angle d’incidence de ces deux faisceaux est supérieur à l’angle limite de réfraction (soit l’angle d’incidence maximal qui permet la réflexion totale d’une onde à l’interface de deux milieux de propagation dont les indices de réfraction diffèrent). Dans ce cas, les deux faisceaux interfèrent sous forme d’une onde évanescente qui, seule, pénètre dans l’espace à l’extérieur du prisme.

L’angle incident des deux faisceaux laser est supérieur à l’angle limite de réfraction. Ils interfèrent en donnant naissance à une onde évanescente.

Copyright : C. D. Mellor et C. D. Bain, utilisé avec leur permission

Les chercheurs placent ensuite sur la surface du silicium une goutte d’eau contenant une solution diluée de sphères de polystyrène dont le diamètre est compris entre 300 et 600 nanomètres. Ces nanoparticules sont alors piégées par le champ évanescent et, dans les bonnes conditions, forment spontanément des réseaux ordonnés à deux dimensions. Ceux-ci peuvent présenter des structures rectangulaires, hexagonales voire plus compliquées. En particulier, les scientifiques ont obtenu la formation d’un réseau carré à partir de deux faisceaux laser polarisés orthogonalement et de particules de 390 nanomètres de diamètre.

Des réseaux ordonnés de particules peuvent également être formés en utilisant des pinces optiques contenant un grand nombre de maximum d’intensité dans le plan focal du laser. Mais, selon les chercheurs britanniques, la liaison optique des nanosphères entre elles décrite ici n’est pas imposée par le champ électromagnétique du laser. Plutôt, elle trouverait sa source dans la diffusion multiple de l’onde évanescente par les particules elles-mêmes, et non dans un gradient de champ.

Réseau 2D de nanosphères

Copyright : C. D. Mellor et C. D. Bain, utilisé avec leur permission

Les réseaux obtenus présentent beaucoup des caractéristiques dynamiques des cristaux moléculaires, comme la diffusion superficielle, la migration des défauts (des lacunes par exemple), le mûrissement d’Ostwald (lorsque deux réseaux coalescent en un) ou encore les transitions de phase. Les chercheurs estiment donc que leur travail pourrait permettre non seulement d’assembler régulièrement de la matière à l’échelle du nanomètre mais également d’étudier, en temps réel, les processus qui se produisent, de façon invisible, dans les cristaux. Ils projettent maintenant de développer un modèle quantitatif pour expliquer la liaison optique dans ces réseaux et pour étudier la façon dont des particules de tailles et de formes différentes s’assemblent. Ils vont également s’efforcer d’obtenir des réseaux en trois dimensions.

Sources : PhysicsWeb, 19/01/06 ; Colin Bain Homepage ; “Array Formation in Evanescent Waves”, ChemPhysChem, Volume7, Issue 2, pages 329 - 332

Auteur : D^r Anne Prost