Le professeur Erwin Frey, titulaire de la chaire de physique statistique et biologique au LMU et membre du cluster d'excellence ORIGINS, et son chercheur, le Dr Florian Gartner, ont étudié un aspect de l'auto-assemblage qui a reçu peu d'attention jusqu'à présent :quel rôle joue la forme et le nombre de liaisons possibles entre les particules jouent ?

Comme le rapportent les chercheurs dans la revue Physical Review X , leurs résultats montrent que les morphologies hexagonales (en d'autres termes, les structures à six côtés) telles que les molécules avec six sites de liaison sont idéales pour l'auto-assemblage.

Les phénomènes de mise à l'échelle suscitent l'intérêt des chercheurs

"Lorsque nous avons étudié un modèle général d'auto-assemblage, nous avons observé que le temps d'assemblage augmentait avec la taille de la structure cible", raconte Gartner. "Cela nous a amené à nous demander si la forme des particules pourrait avoir une influence considérable sur la rapidité avec laquelle le temps d'assemblage requis augmente avec la taille de la structure cible et donc sur l'efficacité des processus d'auto-organisation. Cette mise à l'échelle du temps d'assemblage avec La taille de la structure cible définit ce que nous appelons la complexité temporelle de l'auto-assemblage."

Poursuivant cette réflexion, les scientifiques ont développé un modèle mathématique pour analyser le comportement du système lors de l'auto-assemblage. Leurs résultats démontrent que la morphologie des éléments constitutifs joue effectivement un rôle important.

En prenant en compte, entre autres aspects, l’échelle et la cinétique des systèmes, Frey et Gartner ont pu montrer que les formes hexagonales offrent des avantages considérables pour l’auto-assemblage. Par exemple, l'assemblage de structures composées d'un millier de blocs de construction peut être près de quatre ordres de grandeur plus rapide avec des blocs de construction hexagonaux qu'avec des blocs de construction triangulaires.

Ce principe hexagonal s'applique généralement à la morphologie, qui décrit non seulement la forme des particules mais également le nombre et le positionnement de leurs liaisons :six liaisons possibles avec des particules adjacentes se sont révélées idéales lors de l'assemblage de structures plus grandes. Il peut s'agir de liaisons covalentes, de ponts hydrogène, de forces de Van der Waals et d'interactions hydrophobes.

Il existe également des correspondances dans la nature pour ce modèle, comme l'auto-assemblage des capsides virales. Ce processus commence par l'assemblage de petites pièces triangulaires en hexagones, qui se rejoignent ensuite avec des pentagones pour former les structures icosaédriques des capsides virales.

Applications potentielles

Selon les scientifiques, leurs résultats fournissent des informations précieuses pour la nanotechnologie. Le principe de l'hexagone pourrait être appliqué pour optimiser l'auto-organisation de petites structures en structures plus grandes, en ce qui concerne la forme des éléments constitutifs ou la possibilité de liaisons et de relations d'adjacence avec d'autres particules. Grâce à l'auto-assemblage hiérarchique, par exemple, il pourrait être possible de former des particules ayant une morphologie particulièrement avantageuse (des hexagones par exemple) lors d'une première étape d'assemblage afin d'améliorer l'efficacité de l'ensemble du processus d'assemblage.

"Si vous comprenez quelles morphologies des monomères conduisent à un auto-assemblage efficace, vous pouvez délibérément sélectionner ces formes et éviter les formes inefficaces et lentes à assembler", explique Gartner. "Un exemple de la façon dont cette stratégie pourrait être exploitée est la synthèse de capsides virales artificielles pour des applications biomédicales."