Chocolat soyeux, un meilleur médicament médical, ou les panneaux solaires nécessitent tous la même chose :juste les bons cristaux qui composent le matériau. Maintenant, les scientifiques essayant de comprendre les chemins empruntés par les cristaux au fur et à mesure qu'ils se forment ont pu influencer ce chemin en modifiant l'ingrédient de départ.

Les enseignements tirés des résultats, signalé le 17 avril dans Matériaux naturels , pourrait éventuellement aider les scientifiques à mieux contrôler la conception d'une variété de produits pour les technologies énergétiques ou médicales.

"Les résultats répondent à un débat en cours sur les voies de cristallisation, ", a déclaré le scientifique des matériaux Jim De Yoreo du Pacific Northwest National Laboratory du Département de l'énergie et de l'Université de Washington. "Ils impliquent que vous pouvez contrôler les différentes étapes de l'assemblage des matériaux en choisissant soigneusement la structure de vos molécules de départ."

De disquette à rigide

L'un des cristaux les plus simples, les diamants sont composés d'un atome, le carbone. Mais dans le monde vivant, cristaux, comme celles formées par le beurre de cacao dans le chocolat ou celles mal formées qui provoquent l'anémie falciforme, sont constitués de molécules longues et souples et contiennent une longue séquence bien définie de nombreux atomes. Ils peuvent se cristalliser de diverses manières, mais un seul moyen est le meilleur. En pharmacie, la différence peut signifier un médicament qui fonctionne par rapport à un autre qui ne fonctionne pas.

Les chimistes n'ont pas encore assez de contrôle sur la cristallisation pour assurer la meilleure forme, en partie parce que les chimistes ne savent pas comment se déroulent les premières étapes de la cristallisation. Un débat particulier a porté sur la question de savoir si des molécules complexes peuvent s'assembler directement, avec une molécule attachée à une autre, comme ajouter une carte à jouer à la fois à un deck. Ils appellent cela un processus en une étape, les règles mathématiques que les scientifiques ont compris depuis longtemps.

L'autre côté du débat soutient que les cristaux nécessitent deux étapes pour se former. Les expériences suggèrent que les molécules de départ forment d'abord un amas désordonné puis, au sein de ce groupe, commencer à réarranger dans un cristal, comme si les cartes devaient d'abord être mélangées dans une pile avant de pouvoir former un paquet. De Yoreo et ses collègues voulaient déterminer si la cristallisation nécessitait toujours l'étape désordonnée, et sinon, Pourquoi pas.

Touffe, claquer et...

Faire cela, les scientifiques ont formé des cristaux à partir d'une version quelque peu simplifiée des molécules définies par séquence trouvées dans la nature, une version qu'ils appellent un peptoïde. Le peptoïde n'était pas compliqué - juste une chaîne de deux sous-unités chimiques répétitives (pensez "ABABAB") - mais complexe car il faisait une douzaine de sous-unités. En raison de sa nature chimique symétrique, l'équipe s'attendait à ce que plusieurs molécules se réunissent dans une structure plus grande, comme s'il s'agissait de blocs Lego s'emboîtant les uns dans les autres.

Dans une deuxième série d'expériences, ils voulaient tester comment une molécule légèrement plus compliquée s'assemblait. Donc, l'équipe a ajouté une molécule sur la séquence initiale ABABAB... qui ressortait comme une queue. Les queues s'attiraient, et l'équipe s'attendait à ce que leur association provoque l'agglutination des nouvelles molécules. Mais ils n'étaient pas sûrs de ce qui se passerait après.

Les chercheurs ont mis les molécules peptoïdes dans des solutions pour les laisser cristalliser. Ensuite, l'équipe a utilisé une variété de techniques analytiques pour voir quelles formes les peptoïdes formaient et à quelle vitesse. Il s'avère que les deux peptoïdes ont formé des cristaux de manières très différentes.

Une queue de deux pas

Comme les scientifiques s'y attendaient la plupart du temps, le peptoïde le plus simple a formé des cristaux initiaux de quelques nanomètres de taille qui sont devenus plus longs et plus hauts à mesure que davantage de molécules peptoïdes se mettaient en place. Le peptoïde simple a suivi toutes les règles d'un processus de cristallisation en une étape.

Mais enfoncer la queue dans le mélange a perturbé le calme, provoquant un ensemble complexe d'événements avant l'apparition des cristaux. Globalement, l'équipe a montré que ce peptoïde plus compliqué s'est d'abord regroupé en petits amas invisibles avec les molécules plus simples.

Certains de ces amas se sont installés sur la surface disponible, où ils sont restés inchangés avant de se convertir soudainement en cristaux et finalement de devenir les mêmes cristaux que ceux observés avec le simple peptoïde. Ce comportement était quelque chose de nouveau et nécessitait un modèle mathématique différent pour le décrire, selon les chercheurs. Comprendre les nouvelles règles permettra aux chercheurs de déterminer la meilleure façon de cristalliser les molécules.

"Nous ne nous attendions pas à ce qu'un changement aussi mineur fasse que les peptoïdes se comportent de cette façon, " a déclaré De Yoreo. " Les résultats nous font penser au système d'une nouvelle manière, qui, selon nous, conduira à un contrôle plus prédictif de la conception et de l'assemblage de matériaux biomimétiques."