Les scientifiques utilisent des brins d'ADN pour déclencher des changements de phase dans les nanomatériaux. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie viennent de faire un grand pas vers l'objectif de concevoir des nanomatériaux dynamiques dont la structure et les propriétés associées peuvent être modifiées à la demande. Dans un article paru dans Matériaux naturels , ils décrivent un moyen de réorganiser sélectivement les nanoparticules en réseaux tridimensionnels pour produire différentes configurations, ou phases, à partir des mêmes nano-composants.
"L'un des objectifs de l'auto-assemblage de nanoparticules a été de créer des structures par conception, " a déclaré Oleg Gang, qui a dirigé les travaux au Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science. "Jusqu'à maintenant, la plupart des structures que nous avons construites sont statiques. Maintenant, nous essayons d'atteindre un objectif encore plus ambitieux :fabriquer des matériaux qui peuvent se transformer afin que nous puissions profiter des propriétés qui émergent avec les réarrangements des particules. »
La capacité de diriger des réarrangements de particules, ou changements de phase, permettra aux scientifiques de choisir les propriétés souhaitées, disons, la réponse du matériau à la lumière ou à un champ magnétique et les changer selon les besoins. De tels matériaux à changement de phase pourraient conduire à de nouvelles applications, tels que la récupération d'énergie dynamique ou les matériaux optiques réactifs.
Réarrangement dirigé par l'ADN
Cette dernière avancée dans l'ingénierie à l'échelle nanométrique s'appuie sur les travaux antérieurs de l'équipe pour développer des moyens d'auto-assembler les nanoparticules en réseaux composites complexes, y compris les lier ensemble avec des attaches construites de brins complémentaires d'ADN synthétique. Dans ce cas, ils ont commencé par un assemblage de nanoparticules déjà liées en un réseau régulier par la liaison complémentaire du A, T, G, et des bases C sur des attaches d'ADN simple brin, puis ajouté des brins d'ADN de « reprogrammation » pour modifier les interactions interparticulaires.
"Nous savons que les propriétés des matériaux construits à partir de nanoparticules dépendent fortement de leurs arrangements, " dit Gang. " Auparavant, nous avons même pu manipuler les propriétés optiques en raccourcissant ou en allongeant les attaches d'ADN. Mais cette approche ne nous permet pas de réaliser une réorganisation globale de l'ensemble de la structure une fois qu'elle est déjà construite."
L'injection de différents types de brins d'ADN de reprogrammation peut modifier les interactions interparticulaires de différentes manières selon que les nouveaux brins augmentent l'attraction, répulsion, ou une combinaison de ces forces entre particules. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Dans la nouvelle approche, les brins d'ADN de reprogrammation adhèrent à des sites de liaison ouverts sur les nanoparticules déjà assemblées. Ces brins exercent des forces supplémentaires sur les nanoparticules liées.
"En introduisant différents types de brins d'ADN de reprogrammation, nous modifions les enveloppes d'ADN entourant les nanoparticules, " a expliqué Yugang Zhang, stagiaire postdoctoral du CFN, l'auteur principal de l'article. "La modification de ces coquilles peut déplacer sélectivement les interactions particule-particule, soit en augmentant à la fois l'attraction et la répulsion, ou en augmentant séparément seulement l'attraction ou seulement la répulsion. Ces interactions reprogrammées imposent de nouvelles contraintes aux particules, les obligeant à réaliser une nouvelle organisation structurelle pour satisfaire ces contraintes."
En utilisant leur méthode, l'équipe a démontré qu'ils pouvaient changer leur réseau de nanoparticules d'origine, la phase "mère", en plusieurs phases filles différentes avec un contrôle de précision.
Différents types de brins de reprogrammation peuvent être utilisés pour déclencher sélectivement la transformation en différentes phases, ou des configurations, des mêmes combinaisons de particules. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Ceci est assez différent des changements de phase entraînés par des conditions physiques externes telles que la pression ou la température, Gang a dit, qui entraînent généralement des déphasages simples, ou parfois séquentiels. « Dans ces cas, passer de la phase A à la phase C, il faut d'abord passer de A à B puis de B à C, ", a déclaré Gang. "Notre méthode nous permet de choisir la phase fille que nous voulons et d'aller directement à celle-là, car la phase fille est complètement déterminée par le type de brins de reprogrammation d'ADN que nous utilisons."
Les scientifiques ont pu observer les transformations structurelles de diverses phases filles à l'aide d'une technique appelée diffusion in situ des rayons X aux petits angles à la National Synchrotron Light Source, un autre DOE Office of Science User Facility qui a fonctionné au Brookhaven Lab de 1982 à septembre dernier (maintenant remplacé par NSLS-II, qui produit des faisceaux de rayons X 10, 000 fois plus lumineux). L'équipe a également utilisé la modélisation informatique pour calculer comment différents types de brins de reprogrammation modifieraient les interactions interparticulaires, et trouvèrent que leurs calculs concordaient bien avec leurs observations expérimentales.
"La possibilité de changer dynamiquement la phase d'un réseau de super-réseaux entier permettra la création de matériaux reprogrammables et commutables dans lesquels plusieurs, différentes fonctions peuvent être activées à la demande, ", a déclaré Gang. "Notre travail expérimental et l'analyse théorique qui l'accompagne confirment que la reprogrammation des interactions médiées par l'ADN entre les nanoparticules est un moyen viable d'atteindre cet objectif."
