L'auto-assemblage est omniprésent dans le monde naturel, servant de voie pour former des structures organisées dans chaque organisme vivant. Ce phénomène est visible, par exemple, lorsque deux brins d'ADN - sans aucun encouragement ou guidage externe - se rejoignent pour former une double hélice, ou lorsqu'un grand nombre de molécules se combinent pour créer des membranes ou d'autres structures cellulaires vitales. Tout va à sa juste place sans qu'un constructeur invisible n'ait à rassembler toutes les pièces, un à la fois.

Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont suivi l'exemple de la nature, concevoir des molécules qui s'assemblent dans l'eau, dans le but de fabriquer des nanostructures, principalement pour des applications biomédicales telles que l'administration de médicaments ou l'ingénierie tissulaire. "Ces matériaux à base de petites molécules ont tendance à se dégrader assez rapidement, " explique Julia Ortony, professeur adjoint au Département de science et génie des matériaux (DMSE) du MIT, "et ils sont chimiquement instables, trop. Toute la structure s'effondre lorsque vous retirez l'eau, en particulier lorsqu'une force extérieure quelconque est appliquée."

Elle et son équipe, cependant, ont conçu une nouvelle classe de petites molécules qui s'assemblent spontanément en nanorubans avec une force sans précédent, conservant leur structure hors de l'eau. Les résultats de cet effort pluriannuel, qui pourrait inspirer un large éventail d'applications, ont été décrits le 21 janvier dans Nature Nanotechnology par Ortony et ses coauteurs.

"Ce travail fondateur, qui a donné des propriétés mécaniques anormales grâce à un auto-assemblage hautement contrôlé, devrait avoir un impact important sur le terrain, " affirme le professeur Tazuko Aida, directeur adjoint du RIKEN Center for Emergent Matter Science et professeur de chimie et de biotechnologie à l'Université de Tokyo, qui n'a pas participé à la recherche.

Le matériel que le groupe MIT a construit - ou plutôt, permis de se construire - est modelé sur une membrane cellulaire. Sa partie externe est « hydrophile, " ce qui signifie qu'il aime être dans l'eau, alors que sa partie interne est "hydrophobe, " ce qui signifie qu'il essaie d'éviter l'eau. Cette configuration, Commentaires d'Ortonie, "fournit une force motrice pour l'auto-assemblage, " au fur et à mesure que les molécules s'orientent pour minimiser les interactions entre les régions hydrophobes et l'eau, prenant ainsi une forme nanométrique.

La forme, dans ce cas, est conféré par l'eau, et normalement toute la structure s'effondrerait une fois séchée. Mais Ortony et ses collègues ont élaboré un plan pour empêcher que cela ne se produise. Lorsque les molécules sont faiblement liées entre elles, ils se déplacent rapidement, analogue à un fluide; à mesure que la force des forces intermoléculaires augmente, le mouvement ralentit et les molécules prennent un état solide. L'idée, Ortony explique, "est de ralentir le mouvement moléculaire par de petites modifications des molécules individuelles, qui peut conduire à un collectif, et, espérons-le, dramatique, changement dans les propriétés de la nanostructure."

Une façon de ralentir les molécules, note Ty Christoff-Tempesta, un doctorat étudiant et premier auteur de l'article, « est de les faire adhérer les uns aux autres plus fortement que dans les systèmes biologiques ». Cela peut être accompli lorsqu'un réseau dense de liaisons hydrogène fortes relie les molécules entre elles. "C'est ce qui donne à un matériau comme le Kevlar - construit à partir de soi-disant" aramides "- sa stabilité chimique et sa résistance, " déclare Christoff-Tempesta.

L'équipe d'Ortony a intégré cette capacité dans sa conception d'une molécule qui a trois composants principaux :une partie externe qui aime interagir avec l'eau, aramides au milieu pour la reliure, et une partie intérieure qui a une forte aversion pour l'eau. Les chercheurs ont testé des dizaines de molécules répondant à ces critères avant de trouver la conception qui a conduit à de longs rubans d'une épaisseur nanométrique. Les auteurs ont ensuite mesuré la résistance et la rigidité des nanorubans pour comprendre l'impact de l'inclusion d'interactions de type Kevlar entre les molécules. Ils ont découvert que les nanorubans étaient étonnamment robustes - plus résistants que l'acier, En réalité.

Cette découverte a conduit les auteurs à se demander si les nanorubans pouvaient être regroupés pour produire des matériaux macroscopiques stables. Le groupe d'Ortony a conçu une stratégie selon laquelle des nanorubans alignés étaient tirés en longs fils qui pouvaient être séchés et manipulés. Notamment, L'équipe d'Ortony a montré que les fils pouvaient supporter 200 fois leur propre poids et avoir des surfaces extrêmement élevées :200 mètres carrés par gramme de matériau. "Ce rapport surface/masse élevé est prometteur pour les technologies de miniaturisation en réalisant plus de chimie avec moins de matière, " explique Christoff-Tempesta. A cet effet, ils ont déjà développé des nanorubans dont les surfaces sont recouvertes de molécules capables d'attirer les métaux lourds, comme le plomb ou l'arsenic, hors de l'eau contaminée. D'autres efforts du groupe de recherche visent à utiliser des nanorubans groupés dans des appareils électroniques et des batteries.

Ortonie, pour sa part, est toujours étonné qu'ils aient été en mesure d'atteindre leur objectif de recherche initial de "régler l'état interne de la matière pour créer des nanostructures moléculaires exceptionnellement fortes". Les choses auraient facilement pu se passer dans l'autre sens; ces matériaux pourraient s'être avérés désorganisés, ou leurs structures fragiles, comme leurs prédécesseurs, ne tenant que dans l'eau. Mais, elle dit, "nous étions ravis de voir que nos modifications de la structure moléculaire étaient en effet amplifiées par le comportement collectif des molécules, créer des nanostructures aux propriétés mécaniques extrêmement robustes. L'étape suivante, déterminer les applications les plus importantes, sera passionnant."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.