Meta-GFA — Transformations dynamiques dans des métasurfaces géométriquement frustrées

Les assemblages géométriquement frustrés (Geometrically Frustrated Assemblies, GFA) couvrent de nombreux domaines des sciences, tels que le magnétisme, le repliement des protéines ou les cristaux liquides. Les GFA apparaissent lorsque des interactions concurrentes empêchent le système d’adopter des arrangements simples, conduisant à l’émergence de propriétés structurelles et multifonctionnelles originales. À l’inverse, les matériaux colloïdaux synthétiques présentent généralement peu ou pas de frustration, donnant lieu à des structures simples, compactes et statiques. Ce projet vise à concevoir et à manipuler des assemblages frustrés de nanoparticules (NPs) inorganiques colloïdales afin de former des matériaux complexes et fonctionnels directement en solution. Le premier objectif du programme de recherche est d’exploiter les principes des GFA entre des nanoparticules ne se conformant pas aux pavages standards, afin d’accéder à une nouvelle gamme de symétries originale. Le second objectif est de doter ces assemblages d’une réponse structurale dynamique à des stimuli externes, permettant un contrôle actif de leurs propriétés et fonctionnalités. Le programme de travail se concentre sur la conception rationnelle de nanostructures périodiques bidimensionnelles constituées de nanobâtonnets orientés (désignées sous le terme de métasurfaces) et s’articule autour de trois objectifs (O) : (O1) l’ingénierie d’assemblages géométriquement frustrés par la conception de nanobâtonnets présentant des sections polygonales originales (par exemple pentagonales ou chirales), ainsi que par l’assemblage de réseaux binaires ; (O2) le contrôle des paramètres de réseau des métasurfaces (distance inter-particulaire et symétrie) par des moyens chimiques ainsi que par l’application de champs externes ; (O3) l’étude des propriétés optiques dynamiques des métasurfaces frustrées. De subtiles modifications des interactions colloïdales en solution induiront des changements structuraux remarquables, tels que des ruptures de symétrie, une porosité modulable et l’apparition d’aperiodicité. Cette nouvelle classe de matériaux s’inspire d’autres systèmes reposant sur les GFA, tout en présentant des « métapropriétés » optiques absentes dans la nature, telles que des interactions lumière–matière renforcées et une activité chiroptique intense. Dans l’ensemble, les métasurfaces frustrées permettront la découverte de structures uniques et dynamiques, ouvrant la voie à de nouvelles applications en plasmonique et au-delà.