La nature fournit une myriade d'exemples de matériaux et de structures uniques développés pour des applications ou des adaptations spécialisées. Un groupe interdisciplinaire de chercheurs du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie essaie de percer les secrets que les organismes utilisent pour construire des structures aussi complexes afin que l'énergie puisse être utilisée pour créer des matériaux introuvables dans la nature et incapables d'être synthétisés par des moyens conventionnels.

"La nature a beaucoup d'exemples de ces structures hiérarchiques et ce sont généralement des matériaux composites organiques-inorganiques, " a déclaré Surya Mallapragada, Scientifique du laboratoire Ames et chaire Carol Vohs Johnson de l'Iowa State University en génie chimique et biologique. "Un squelette d'éponge de mer en verre est un parfait exemple de ces structures qui sont modelées par la phase organique. Vous avez des nanocristaux inorganiques qui se forment et c'est un processus d'assemblage à plusieurs échelles, qui dans la plupart des cas se produit à des températures et des conditions douces, comme le pH."

"Nous nous tournons donc vers la nature pour nous inspirer et en tant que source de biomolécules pour voir comment nous pouvons recréer certains de ces processus qui créent ces merveilleux matériaux avec des assemblages hiérarchiques ou une structure uniforme, ", a-t-elle déclaré à propos de la recherche financée par le programme de matériaux biomoléculaires du DOE-BES.

Jusque là, L'équipe de Mallapragada a pu reproduire la création de la magnétite en étudiant les bactéries magnétotactiques. Ces bactéries forment des nanocristaux magnétiques ou des chaînes de nanocristaux qu'elles utilisent pour s'orienter avec le champ magnétique terrestre. En utilisant des modèles polymères auto-assemblés et des protéines des bactéries, les chercheurs ont réussi à faire pousser des cristaux de magnétite.

"Nous avons utilisé cette approche avec succès pour faire croître des nanocristaux de magnétite, " Mallapragada a dit, "mais nous sommes allés au-delà de cela, en utilisant ces techniques pour créer de la ferrite de cobalt et d'autres nanocristaux magnétiques qui ne se trouvent pas dans la nature. C'est un excellent exemple de synthèse modélisée."

Le groupe a également travaillé avec du phosphate de calcium pour essayer d'imiter la force légère trouvée dans les os.

"Dans certains cas, nous devons trouver des analogues synthétiques qui peuvent faire le même travail, mais sont plus robustes, " a déclaré Mallapragada. " Dans de nombreux cas, les biomolécules ne sont pas aussi robustes. Les protéines sont des molécules fragiles donc si on peut le faire avec des polymères synthétiques, cela nous donne beaucoup plus de flexibilité."

C'est une chose de créer des nanocristaux. Faire en sorte que ces nanocristaux s'organisent et forment des microstructures, puis des structures à macro-échelle, c'est quelque chose de complètement différent.

"Ils ne sont pas au niveau de complexité que nous voyons dans la nature - c'est le Saint Graal, " Mallapragada a expliqué, "mais c'est l'inspiration et nous essayons d'y arriver avec des approches synthétiques."

Le dernier objectif pour exploiter ce processus de construction naturel est la création de métamatériaux, des matériaux dits gauchers qui ont des propriétés optiques intéressantes qui n'existent pas dans la nature.

« Nous envisageons d'utiliser des modèles organiques pour assembler des particules inorganiques afin d'obtenir les propriétés souhaitées, " Mallapragada. " Nous avons une très forte collaboration avec les physiciens du Laboratoire Ames Costas Soukoulis et Thomas Koschny, et ils ont fait un travail formidable avec des simulations et des prédictions de structures et ont développé des structures lithographiques, mais ce ne sont que des 2-D. C'est donc vraiment un cas parfait pour utiliser ces approches bio-inspirées pour auto-assembler ces métamatériaux en structures 3D. »

Mallapragada pointe à nouveau l'éponge de verre pour le type d'assemblage à plusieurs échelles requis pour construire des métamatériaux 3D.

"L'éponge de mer a de l'ordre à plusieurs échelles :à l'échelle nanométrique, à l'échelle du micron, échelle millimétrique. C'est un assemblage à plusieurs échelles - on dirait la tour Eiffel - et c'est pourquoi il a un très bon rapport résistance/poids, " dit-elle. " Nous avons donc besoin d'une hiérarchie similaire. Définir les formes à l'échelle nanométrique, mais ayez ensuite un arrangement ordonné de ces objets nanométriques en 2D puis en 3D pour obtenir les propriétés souhaitées."

En plus d'utiliser des polymères auto-assemblants, qui fournissent l'ordre à long terme, L'ADN a également été utilisé car il permet une spécificité dans le placement des nanoparticules. Pour créer des métamatériaux, l'équipe envisage d'utiliser les deux pour contrôler le placement des nanoparticules d'or dans un motif spécifique, accumulez des couches puis appliquez un revêtement de film d'or sur l'ensemble de la structure pour acquérir les propriétés souhaitées.

« Il faut une approche très interdisciplinaire, " a déclaré Mallapragada. " Nous avons des biologistes moléculaires (Marit Nilsen-Hamilton) pour le côté ADN, chimistes des matériaux (Mallapragada) pour la synthèse des polymères, Soukoulis et Koschny pour la prédiction théorique des structures et (le physicien) Alex Travesset pour la modélisation des types de structures que nous pouvons obtenir."

"Nous avons besoin d'une bonne caractérisation, donc David Vaknin étudie les méthodes de diffusion et Tanya Prozorov a fait des travaux de microscopie électronique à transmission, " a-t-elle poursuivi. " Andy Hillier (ingénieur chimiste/biologique) a été impliqué dans la métallisation, appliquer le film continu d'or sur ces modèles nano structurés. C'est donc un multi-niveaux, multi-étapes, procédé de synthèse multi-composants."

Dame Nature devrait être flattée !