Le processus de cristallisation, dans lequel des atomes ou des molécules s'alignent en rangées ordonnées comme des soldats en formation, est la base de nombreux matériaux qui définissent la vie moderne, y compris le silicium dans les puces et les cellules solaires. Mais alors que de nombreuses applications utiles pour les cristaux impliquent leur croissance sur des surfaces solides (plutôt qu'en solution), il y a eu une pénurie de bons outils pour étudier ce type de croissance.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et de Draper a trouvé un moyen de reproduire la croissance des cristaux sur les surfaces, mais à plus grande échelle, ce qui rend le processus beaucoup plus facile à étudier et à analyser. La nouvelle approche est décrite dans un article de la revue Matériaux naturels , par Robert Macfarlane et Leonardo Zomberg au MIT, et Diana Lewis Ph.D. '19 et David Carter chez Draper.

Plutôt que d'assembler ces cristaux à partir d'atomes réels, la clé pour rendre le processus facile à observer et à quantifier était l'utilisation d'"équivalents atomiques programmables, " ou PAE, explique Macfarlane. Cela fonctionne parce que la façon dont les atomes s'alignent dans les réseaux cristallins est entièrement une question de géométrie et ne repose pas sur les propriétés chimiques ou électroniques spécifiques de ses constituants.

L'équipe a utilisé des nanoparticules sphériques d'or, recouvert de simples brins spécialement sélectionnés d'ADN génétiquement modifié, donnant aux particules à peu près l'apparence de boules de Koosh. Les brins d'ADN simples ont la propriété inhérente de s'attacher étroitement aux brins réciproques correspondants, pour former la double hélice classique, cette configuration offre donc un moyen infaillible d'amener les particules à s'aligner précisément de la manière souhaitée.

"Si je mets un pinceau d'ADN très dense sur la particule, il va tisser autant de liens que possible avec autant de voisins les plus proches, " dit Macfarlane. " Et si vous concevez tout de manière appropriée et le traitez correctement, ils formeront des structures cristallines ordonnées. » Bien que ce processus soit connu depuis quelques années, ce travail est le premier à appliquer ce principe pour étudier la croissance des cristaux sur des surfaces.

« Comprendre comment les cristaux poussent vers le haut à partir d'une surface est extrêmement important pour de nombreux domaines différents, " dit-il. L'industrie des semi-conducteurs, par exemple, repose sur la croissance de gros matériaux monocristallins ou multicristallins qui doivent être contrôlés avec une grande précision, pourtant, les détails du processus sont difficiles à étudier. C'est pourquoi l'utilisation d'analogues surdimensionnés tels que les PAE peut être d'un tel avantage.

Les PAE, il dit, « cristallisent exactement de la même manière que les molécules et les atomes. Ils constituent donc un très bon système proxy pour comprendre comment se produit la cristallisation. » Avec ce système, les propriétés de l'ADN dictent la façon dont les particules s'assemblent et la configuration 3-D dans laquelle elles se retrouvent.

Ils ont conçu le système de telle sorte que les cristaux nucléent et se développent à partir d'une surface et "en adaptant les interactions à la fois entre les particules, et entre les particules et la surface recouverte d'ADN, nous pouvons dicter la taille, la forme, l'orientation et le degré d'anisotropie (directionnalité) dans le cristal, " dit Macfarlane.

"En comprenant le processus par lequel cela se passe pour former réellement ces cristaux, nous pouvons potentiellement l'utiliser pour comprendre les processus de cristallisation en général, " il ajoute.

Il explique que non seulement les structures cristallines résultantes sont environ 100 fois plus grandes que les véritables atomes, mais leurs processus de formation sont aussi beaucoup plus lents. La combinaison rend le processus beaucoup plus facile à analyser en détail. Les méthodes antérieures de caractérisation de telles structures cristallines ne montraient que leurs états finaux, manquant ainsi des complexités dans le processus de formation.

"Je pourrais changer la séquence d'ADN. Je peux changer le nombre de brins d'ADN dans la particule. Je peux changer la taille de la particule et je peux ajuster chacune de ces poignées individuelles indépendamment, " dit Macfarlane. " Donc si je voulais pouvoir dire, D'ACCORD, Je fais l'hypothèse que cette structure particulière pourrait être favorisée dans ces conditions si j'accordais l'énergétique de cette manière, c'est un système beaucoup plus facile à étudier avec les PAE qu'il ne le serait avec les atomes eux-mêmes."

Le système est très efficace, il dit, mais les brins d'ADN modifiés d'une manière qui permet la fixation aux nanoparticules peuvent être assez coûteux. Comme prochaine étape, le laboratoire Macfarlane a également développé des blocs de construction à base de polymères prometteurs pour reproduire ces mêmes processus et matériaux de cristallisation, mais peut être fabriqué à peu de frais à l'échelle du multigramme.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.