La technologie est de plus en plus petite, ce qui est une bonne nouvelle.

La capacité de fabriquer des matériaux avec optique, les propriétés électriques et mécaniques de très petites particules pourraient avoir des applications de grande envergure. Par exemple, des microparticules greffées d'ADN peuvent être utilisées en médecine pour une meilleure détection, l'imagerie et l'administration du traitement. Une meilleure compréhension du comportement de ces matériaux pourrait permettre de tenir la promesse de la médecine de précision, entre autres applications.

Il reste encore beaucoup à apprendre sur la meilleure façon de diriger la fabrication de ces micro-matériaux. Le processus d'auto-assemblage de particules microscopiques fonctionnalisées par l'ADN conduit à la cristallisation, c'est à dire., les atomes et les molécules se transforment en une forme hautement structurée appelée cristal. La cristallisation commence par la nucléation, le processus par lequel des atomes ou des molécules se regroupent à l'échelle microscopique. Si les grappes deviennent stables et suffisamment grandes, une croissance cristalline peut se produire. Les atomes et les composés peuvent généralement former plus d'une structure cristalline, appelé polymorphisme. L'arrangement des particules est déterminé au cours des premiers stades de la cristallisation.

Selon Jeetain Mittal, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université Lehigh, les transformations structurelles qui impliquent le potentiel de polymorphisme lors de la cristallisation ont été classiquement attribuées à des effets cinétiques, ou le taux de nucléation, pour prédire quelles structures peuvent être observées lorsque des cristaux se forment. Ceci est conforme à la théorie de la nucléation classique.

Maintenant, Mittal et son équipe ont montré que les effets cinétiques peuvent être incapables d'expliquer pleinement la transformation structurelle dans toutes les situations polymorphes et que la thermodynamique de surface, liée à la taille des cristallites par opposition à la vitesse, peut être essentielle pour conduire les transformations entre les structures cristallines. L'équipe a trouvé une nouvelle voie pour la transformation structurelle d'un réseau carré en réseau hexagonal pendant la croissance cristalline, qui est guidée par la thermodynamique.

Dans de nombreux systèmes antérieurs, selon Mittal, les cristallites présentant un polymorphisme structurel ont été attribués à des effets cinétiques, lié au taux de nucléation. Dans leur travail, Mittal et ses collaborateurs fournissent des calculs solides pour démontrer que la transformation structurelle peut être entièrement thermodynamique, contrairement à l'argument cinétique, du point de vue à la fois théorique et informatique. Plus loin, une transformation structurelle similaire est observée dans un système modélisé plus détaillé utilisant un modèle à gros grains représentant une particule fonctionnalisée d'ADN. C'est une preuve solide que de telles transformations structurelles peuvent être beaucoup plus générales et peuvent être reliées à des systèmes plus réalistes.

« La compréhension du processus de cristallisation est particulièrement importante pour contrôler et prédire la structure produite, " dit Runfang Mao, un doctorat Lehigh actuel. étudiant et co-auteur sur le papier. "Bien qu'utile dans de nombreux cas, la théorie de la nucléation classique est considérée comme invalide dans de nombreux systèmes. Nous montrons qu'une telle transformation structurelle dépendante de la taille est l'une de ces exceptions, et qu'il est entraîné par les propriétés thermodynamiques des cristallites de taille finie. A notre connaissance, une telle transformation structurelle dépendante de la taille n'a pas été clairement illustrée ailleurs dans la littérature."

Leurs conclusions ont été publiées aujourd'hui dans Avancées scientifiques dans l'article "Sélection structurelle thermodynamique dépendante de la taille dans la cristallisation colloïdale". Outre Mittal et Mao, les auteurs incluent Evan Pretti, Hassan Zerze, Minseok Song et Yajun Ding, tous étudiants actuels ou anciens du P.C. de Lehigh. Collège Rossin d'ingénierie et de sciences appliquées.

Mittal et son équipe ont étudié comment des mélanges particuliers de colloïdes avec des brins d'ADN attachés à leurs surfaces se cristallisent en réseaux bidimensionnels lorsque les colloïdes interagissent les uns avec les autres. Cristallisation, comme l'explique Pretti, commence à partir de petits amas de particules qui croissent et s'agrègent, et sous certaines conditions, ces cristallites peuvent commencer dans une structure cristalline et se transformer en une autre au fil du temps.

"Nous trouvons que, pour notre système, ces transformations peuvent être expliquées en fonction de la manière dont les stabilités thermodynamiques relatives des différentes structures sont affectées par les tailles des cristallites, " dit Pretti. " En particulier, pour les cristallites assez petites, la thermodynamique des surfaces devient suffisamment importante pour influencer la structure, qui déclenche les transformations observées lors de l'auto-assemblage."

Selon Mittal, ces systèmes fonctionnalisés par ADN sont particulièrement intéressants dans le domaine de l'assemblage colloïdal, en raison de la grande flexibilité et de la variété des possibilités offertes par l'utilisation de différents types de particules et de séquences d'ADN. leurs résultats, cependant, ne se limitent pas à de tels systèmes, mais pourrait permettre de mieux comprendre comment d'autres types de processus de cristallisation fonctionnent et peuvent être contrôlés.

L'équipe a commencé à utiliser des simulations de dynamique moléculaire standard pour comprendre le comportement de leur système. Pour prouver que les transformations qu'ils voyaient étaient d'origine thermodynamique, ils ont pris une méthode existante utilisée pour calculer les stabilités thermodynamiques relatives des solides cristallins périodiques, et l'ont modifié pour qu'ils puissent analyser leurs cristallites de taille finie.

"Nous avons identifié une transformation structurelle qui est réversible et peut être expliquée en utilisant uniquement la thermodynamique des cristaux de taille finie eux-mêmes, ", déclare Mittal. "Notre travail peut fournir une nouvelle façon d'examiner et d'expliquer les transformations dans les systèmes de particules fonctionnalisés par l'ADN et potentiellement aussi dans d'autres types de cristaux."