Images MET de nanostructures auto-assemblées et de leurs recombinaisons, en fausses couleurs. Crédit :Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
Les chercheurs de l'OIST créent des molécules auto-assemblantes qui peuvent être décomposées par la lumière ultraviolette pour se recombiner en de nouvelles formes macroscopiques.
La chimie traditionnelle est extrêmement puissante lorsqu'il s'agit de produire des molécules chimiques microscopiques très diverses et très complexes. Mais une chose hors de portée est la synthèse de grandes structures jusqu'à l'échelle macroscopique, ce qui nécessiterait d'énormes quantités de produits chimiques ainsi qu'une technique élaborée et compliquée. Dans ce but, les scientifiques s'appuient plutôt sur des molécules « auto-assemblées », des composés qui peuvent interagir avec d'autres copies d'eux-mêmes pour se rassembler spontanément en sphères, tubes ou autres formes souhaitées. En utilisant cette approche, chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) Communications chimiques de nouvelles molécules auto-assemblantes pouvant se transformer en nouvelles, des formes exotiques et auparavant non observées en utilisant simplement la lumière UV pour les forcer à se réorganiser différemment dans des états "métastables".
Lors de la conception de structures d'auto-assemblage, les scientifiques visent généralement l'état d'énergie la plus faible - ou "l'état fondamental, " dans laquelle la structure serait à sa plus haute stabilité. Les formes moins stables sont généralement rejetées comme incorrectes et indésirables. Cependant, cet "état fondamental" étant très stable, il est difficile de casser la structure si l'on souhaite en modifier la forme. Dans cette recherche, Les scientifiques de l'OIST ont inséré une faiblesse dans leurs structures auto-assemblées à l'état fondamental, résultant en des structures ne nécessitant qu'un petit coup de pouce pour s'effondrer. Dans ce cas, le nudge est l'utilisation de la lumière ultraviolette pour couper une liaison spécifique entre deux atomes au sein de la molécule, diviser la structure en fragments plus petits. Les fragments sont alors capables de se co-assembler en des formes moins stables - appelées métastables - mais nouvelles et exotiques.
Utilisation de la lumière UV pour décomposer les molécules d'auto-assemblage en fragments de co-assemblage. Les molécules 1 et 2 peuvent s'auto-assembler séparément en nanostructures. L'exposition à la lumière UV va perturber ces nanostructures en divisant 1 en fragments plus courts 3 et 4, et diviser 2 en 4 et 5. Le nouveau mélange de fragments plus courts peut se recombiner spontanément en de nouvelles formes. Crédit :Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
"Ce rapport traite d'un nouveau concept en science des matériaux, " a expliqué le professeur Zhang de l'unité Bioinspired Soft Matter et auteur de l'étude. "Nous avons converti un phénomène d'auto-assemblage en co-assemblage d'une manière contrôlable dans l'espace et dans le temps à l'aide de la lumière. Finalement, nous avons construit des nanostructures hétérogènes exotiques inaccessibles par voie synthétique conventionnelle."
Ce nouveau concept a conduit à une découverte fascinante :parce que les fragments restants sont étroitement entassés suite à l'effondrement de la structure initiale, ils peuvent former des structures nouvelles et exotiques qui ne sont pas réalisables si vous mélangez simplement les mêmes molécules en mouvement libre. Imaginez ces nanostructures fabriquées à partir de briques Lego :au départ, vous avez 2x5 briques - 2 plots de large et 5 plots de long - s'auto-assemblant en une nanofibre. La lumière ultraviolette divisera ces briques 2x5 en deux morceaux plus petits, par exemple une brique 2x3 et une brique 2x2, détruisant toute la structure fibreuse. Mais parce que ces briques plus petites restent pré-organisées spatialement en restant proches les unes des autres, ils peuvent facilement se recombiner en de nouvelles formes visibles à l'œil nu. En revanche, si, dans une expérience séparée, vous mélangez simplement des briques Lego 2x3 et 2x2 de manière aléatoire dans un seau avec des distances variables entre les briques, leur manque d'organisation spatiale empêche l'assemblage de ces nouvelles nanostructures.
Selon le professeur Zhang, la capacité à créer de nouvelles structures est vitale :« En science des matériaux, la fonction est toujours liée à la structure. Si vous créez une structure différente, vous manipulez la fonction et même créez de nouvelles applications." Par exemple, la toxicité d'une molécule sous forme de nanofibre peut être bien inférieure ou supérieure à celle de la même molécule assemblée sous une forme sphérique."
Induction de nouvelles formes macroscopiques à partir des fragments de la structure initiale auto-assemblée. Chemin fléché jaune de 1 à 3 :Une structure initiale semblable à une fibre est créée (1), puis décomposé à l'aide de lumière UV (symbole d'éclairage violet). Parce qu'ils sont étroitement emballés à la suite de l'effondrement de la structure (2), ces fragments se co-assemblent à nouveau sous des formes plus diverses et plus grandes (3). Chemin fléché gris de 4 à 5 :Le simple fait de mélanger les mêmes molécules en mouvement libre dans un solvant (4) ne donne pas la même variété et la même taille de nanostructures (5). Crédit :Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
La présente recherche effectuée à l'OIST suggère fortement que les conditions initiales sont le paramètre le plus critique influençant la forme finale prise par les molécules d'auto-assemblage. "Si vous savez comment les molécules s'emballent les unes avec les autres à partir des paramètres de l'état initial, alors il vous donnera plus d'indices pour viser une forme macroscopique spécifique, " a commenté le professeur Zhang.
Cette capacité de changement de forme a un grand potentiel pour les applications biologiques. Le professeur Zhang a suggéré, "Par exemple, vous introduisez la molécule dans un organisme vivant et elle adopte une certaine structure. Ensuite, en utilisant la lumière, vous cassez une liaison chimique, puis la molécule passera à une autre structure avec la fonction que vous voulez. »
Dans la conception pharmaceutique, un tel concept permettrait à un médicament d'atteindre sa cible dans un organisme vivant – un organe ou une tumeur – à l'état inactif, limitant ainsi les effets secondaires potentiels. Une fois décomposé dans cet endroit ciblé, le médicament se reformerait en une structure différente avec une activité thérapeutique.
Le professeur Zhang a conclu, "Pour l'instant, l'utilisation de la lumière ultraviolette comme nous le faisons n'est pas idéale car elle est toxique pour les cellules vivantes. La prochaine étape pour nous est d'évoluer vers des structures auto-assemblantes plus biocompatibles avec une meilleure adaptabilité aux systèmes vivants."
