Rendus informatiques illustrant la conception de particules inégales microstructurées. Ces minuscules objets (1/4 de la taille d'un globule rouge) sont d'abord créés à l'intérieur d'un ordinateur à l'aide de simulations, puis fabriqués en laboratoire. Crédit :Théodore Hueckel.
La pâte à modeler et les Legos sont parmi les blocs de construction les plus populaires pour l'enfance. Mais que pourriez-vous utiliser si vous vouliez créer quelque chose de vraiment petit, une structure inférieure à la largeur d'un cheveu humain ?
Il s'avère, une équipe de chimistes a trouvé, cela peut être réalisé en créant des particules qui ont à la fois des traits de pâte à modeler et de Lego.
Ces "particules inégales, " décrit dans le dernier numéro de la revue La nature , font 1/200e de la largeur d'un cheveu humain et peuvent former des architectures infinies à partir d'une poignée de pièces de base. Et contrairement à leurs homologues plus grands, ces particules peuvent s'auto-assembler.
"Imaginez que vous vouliez construire un château, mais au lieu de trier les briques à la main et de les connecter patiemment une par une, vous secouez simplement la boîte de pièces pour qu'elles se connectent comme par magie pour former un château complet, " dit Stefano Sacanna, professeur adjoint au département de chimie de l'Université de New York et l'un des créateurs. "Ces particules intelligentes représentent un pas en avant important pour la réalisation de nouveaux matériaux et micro-machines à auto-assemblage."
Ce processus - l'auto-assemblage de micro-architectures prédéterminées - est similaire à la façon dont les cristaux atomiques s'auto-assemblent à partir d'un mélange spécifique de blocs de construction atomiques.
"Dans la nature, architectures extrêmement précises, comme des cristaux, croître de manière transparente à partir de soupes aléatoires d'atomes, " explique Sacanna. " En utilisant des principes similaires, nous pouvons fabriquer une micro-architecture extrêmement précise sans intervention humaine."
"L'auto-assemblage colloïdal a le potentiel de révolutionner l'impression 3D, " ajoute-t-il. " Ceci pourrait être réalisé non seulement en réduisant davantage la taille des architectures imprimées, mais aussi en nous permettant « d'imprimer » des architectures fonctionnelles. Supposons que vous vouliez imprimer un modèle de voiture en utilisant l'auto-assemblage colloïdal, vous pourriez imprimer une voiture d'une fraction de millimètre et qui pourrait un jour fonctionner !"
Pour les scientifiques, cependant, la miniaturisation présente actuellement un formidable défi.
La manipulation directe de « briques de construction » 10 voire 100 fois plus petites qu'une cellule humaine est difficile. Une approche plus efficace consiste à reproduire ce que Sacanna appelle la « technologie de fabrication » de la nature :l'auto-assemblage. Cette, cependant, nécessite la capacité de concevoir et de fabriquer des blocs de construction qui savent quoi faire et où aller.
La technologie développée dans le laboratoire de Sacanna permet la création de ces blocs de construction microscopiques et leur confère un manuel d'instructions embarqué qui leur indique comment se connecter aux particules voisines.
"Ces particules nous aideront à comprendre - et permettront d'imiter - les mécanismes d'auto-assemblage que la nature utilise pour générer de la complexité et des fonctionnalités à partir de simples blocs de construction, " il dit.
Sacanna et son collègue Gi-Ra Yi, professeur à l'École de génie chimique de l'Université Sungkyunkwan (SKKU) à Suwon, Corée du Sud, avec les étudiants diplômés de NYU Zhe Gong et Theodore Hueckel, créé ces particules inégales via une nouvelle méthodologie de synthèse appelée « fusion colloïdale, " ce qui n'est pas sans rappeler la façon dont différents morceaux de pâte à modeler sont assemblés.
Alors que la pâte à modeler consiste à presser différentes couleurs d'argile, la fusion colloïdale fusionne différentes fonctionnalités chimiques pour créer des particules multifonctionnelles, par opposition aux multicolores, qui contiennent également des instructions pour l'auto-assemblage. Ce processus est réalisé en déployant un logiciel, appelé "Surface Evolver", qui est un progiciel de simulation similaire à celui utilisé par les ingénieurs logiciels pour concevoir des bâtiments.
« Le logiciel nous permet de prédire comment un cluster initial évoluera lorsqu'il sera « pressé » et à quoi ressemblera la particule inégale multifonctionnelle résultante, " note Sacanna.
