Le Saint Graal de la science des matériaux a toujours été de décrire et de contrôler la relation structure-fonction du matériau. Les nanoparticules sont une classe attrayante de composants à utiliser dans les matériaux fonctionnels car elles présentent des propriétés dépendantes de la taille, tels que le superparamagnétisme et l'absorption plasmonique de la lumière. Par ailleurs, contrôler l'agencement des nanoparticules peut entraîner des propriétés imprévues, mais de telles études sont difficiles à réaliser en raison des approches efficaces limitées pour produire des nanostructures tridimensionnelles bien définies.

Selon les scientifiques du Biohybrid Materials Group, dirigé par le professeur Mauri Kostiainen, les nanoparticules chargées de la nature – cages protéiques et virus – peuvent être utilisées pour déterminer la structure des nanomatériaux composites.

Les virus et les protéines sont des particules modèles idéales à utiliser en science des matériaux, car ils sont génétiquement codés et ont une structure atomiquement précise. Ces particules biologiques bien définies peuvent être utilisées pour guider l'arrangement d'autres nanoparticules dans une solution aqueuse. Dans la présente étude, les chercheurs montrent que la combinaison du virus de la mosaïque du tabac natif avec des nanoparticules d'or de manière contrôlée conduit à des fils de superréseau métal-protéine.

"Nous avons initialement étudié les aspects géométriques de l'ingénierie des super-réseaux de nanoparticules. Nous avons émis l'hypothèse que le rapport de taille des nanotiges de charge opposée (virus TMV) et des nanosphères (nanoparticules d'or) pourrait être utilisé efficacement pour contrôler la géométrie bidimensionnelle du super-réseau. Nous avons en fait pu le démontrer. Plus intéressant encore, notre caractérisation structurelle a révélé des détails sur les mécanismes d'assemblage coopératif qui se déroulent à la manière d'une fermeture à glissière, conduisant à des fils de super-réseau à rapport d'aspect élevé, ", dit Kostiainen. "Contrôler l'habitude macroscopique des nanomatériaux auto-assemblés est loin d'être anodin, " il ajoute.

Les fils de super-réseau ont le potentiel de former de nouveaux matériaux

Les résultats ont montré que les interactions à l'échelle nanométrique contrôlent vraiment l'habitude macroscopique des fils de super-réseau formés. Les chercheurs ont observé que les fils macroscopiques formés subissent une torsion hélicoïdale à droite qui s'explique par l'attraction électrostatique entre le virus TMV à motif asymétrique et les nanoparticules sphériques de charge opposée. Comme les nanostructures plasmoniques affectent efficacement la propagation de la lumière, la torsion hélicoïdale a entraîné des propriétés optiques asymétriques (dichroïsme circulaire plasmonique) du matériau.

"Ce résultat est révolutionnaire dans le sens où il démontre que les structures macroscopiques et les propriétés physiques peuvent être déterminées par la nanostructure détaillée, c'est-à-dire la séquence d'acides aminés des particules virales. Le génie génétique traite couramment de la conception de la séquence d'acides aminés des protéines, et ce n'est qu'une question de temps lorsque des propriétés macroscopiques similaires ou même plus sophistiquées d'habitude et de structure-fonction seront démontrées pour des cages à protéines conçues ab-initio, " explique le Dr Ville Liljeström qui a travaillé sur le projet pendant trois ans de ses études doctorales.

Le groupe de recherche a démontré une preuve de concept montrant que les fils de super-réseau peuvent être utilisés pour former des matériaux dont les propriétés physiques sont contrôlées par des champs externes. En fonctionnalisant les fils du super-réseau avec des nanoparticules magnétiques, les fils pourraient être alignés par un champ magnétique. De cette manière, ils ont produit des films polarisants plasmoniques. Le but de la démonstration était de montrer que l'auto-assemblage électrostatique de nanoparticules peut potentiellement être utilisé pour former des matériaux traitables pour des applications futures.