Ces illustrations montrent comment un cristal 3D composé de nanoparticules passe d'un état distinct à l'autre via une structure intermédiaire (rangée du haut, milieu) lorsqu'elles sont bouclées (à gauche) par rapport à non bouclées (à droite), des chaînes d'ADN double brin sont utilisées pour lier les particules. Les scientifiques ont pu mesurer la distance entre les particules dans chaque structure en enregistrant les motifs de diffusion des rayons X (rangée du bas). Le passage de l'ADN bouclé à l'ADN non bouclé a augmenté la distance interparticulaire d'environ 6 nanomètres.
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis ont trouvé une nouvelle façon d'utiliser une forme synthétique d'ADN pour contrôler l'assemblage de nanoparticules. des structures tridimensionnelles et en petits clusters qui pourraient être utiles, par exemple, comme biocapteurs, dans les cellules solaires, et en tant que nouveaux matériaux pour le stockage des données. Le travail est décrit dans Nanotechnologie naturelle, publié en ligne le 20 décembre 2009.
L'équipe de Brookhaven, dirigé par le physicien Oleg Gang, a affiné des techniques pour utiliser des brins d'ADN artificiel comme un type très spécifique de velcro ou de colle pour lier les nanoparticules. Un tel auto-assemblage basé sur l'ADN est prometteur pour la conception rationnelle d'une gamme de nouveaux matériaux pour des applications dans la séparation moléculaire, électronique, conversion de l'énergie, et d'autres domaines. Mais aucune de ces structures n'a eu la capacité de changer de manière programmable en réponse à des stimuli moléculaires - jusqu'à présent.
"Maintenant, nous utilisons un type spécial de dispositif de liaison à l'ADN - une sorte de" colle intelligente "- qui affecte la façon dont les particules se connectent pour créer des structures qui peuvent être commutées entre différentes configurations, " dit Gang. Cette fiable, la commutation réversible pourrait être utilisée pour réguler les propriétés fonctionnelles - par exemple, les propriétés de fluorescence et de transfert d'énergie d'un matériau - pour fabriquer de nouveaux matériaux réactifs aux conditions changeantes, ou de modifier leurs fonctions à la demande.
Une telle réactivité aux changements des conditions environnementales et la capacité d'adopter de nouvelles formes sont les caractéristiques des systèmes vivants. De cette façon, ces nouveaux nanomatériaux imitent plus étroitement les systèmes biologiques que toutes les nanostructures précédentes. Bien que loin de toute forme de véritable « vie artificielle, ” ces matériaux pourraient conduire à la conception de machines nanométriques qui, à un niveau très simple, imiter les processus cellulaires tels que la conversion de la lumière du soleil en énergie utile, ou détecter la présence d'autres molécules. Les matériaux réactifs auraient également des avantages dans le domaine de l'optique ou pour produire des matériaux poreux régulés pour les séparations moléculaires, dit Gang.
Les scientifiques ont atteint l'objectif de réactivité en créant des structures où la distance entre les nanoparticules pourrait être soigneusement contrôlée avec une précision nanométrique.
« De nombreuses caractéristiques physiques des nanomatériaux, telles que les propriétés optiques et magnétiques, dépendent fortement de la distance entre les nanoparticules, », explique Gang.
Dans leurs études précédentes, les scientifiques ont utilisé des brins simples d'ADN attachés à des nanoparticules individuelles comme molécules de liaison. Lorsque les extrémités libres de ces brins d'ADN avaient un code génétique complémentaire, ils se lieraient pour attacher les particules. Contraindre les interactions en ancrant certaines des particules sur une surface a permis aux scientifiques de former de manière fiable une variété de structures allant d'amas de deux particules (appelés dimères) à des cristaux de nanoparticules 3D plus complexes.
Dans le nouveau travail, les scientifiques ont ajouté des structures d'ADN double brin plus compliquées. Contrairement aux brins simples, qui s'enroulent de manière incontrôlable, ces structures bicaténaires sont plus rigides et donc contraignent les distances interparticulaires.
En outre, certains des brins constituant les molécules d'ADN double brin ont des structures compliquées telles que des boucles, qui rapprochent les particules liées que lorsque les deux brins sont exactement parallèles. En variant le type de dispositif ADN, entre les brins bouclés et non bouclés, et mesurer les distances interparticulaires à l'aide de techniques de précision à la source de lumière synchrotron nationale de Brookhaven (NSLS) et au Center for Functional Nanomaterials (CFN), les scientifiques ont démontré qu'ils pouvaient contrôler efficacement la distance entre les particules et faire passer le système d'un état à un autre à volonté.
L'approche a abouti à deux configurations, des systèmes commutables aussi bien en dimères qu'en nanocristaux, avec un changement de distance d'environ 6 nanomètres - environ 25 pour cent de la distance interparticulaire. En comparant les cinétiques dans les deux systèmes, ils ont constaté que la commutation entre les états est plus rapide dans le plus simple, système à deux particules. Les dimères conservent également leur capacité à revenir à leur état initial plus précisément que les cristaux 3-D, suggérant que l'encombrement moléculaire peut être un problème à étudier plus avant dans les matériaux 3-D.
"Notre espoir est que la capacité d'induire une réorganisation post-assemblage de ces structures en ajoutant de l'ADN ou d'autres molécules comme stimuli externes, et notre capacité à observer ces changements avec une résolution nanométrique, nous aidera à comprendre ces processus et à trouver des moyens de les appliquer dans de nouveaux types de nanomachines dans lesquelles la fonctionnalité du système est déterminée par les nanoparticules et leur organisation relative, " dit Gang.
Les études futures utiliseront des capacités d'imagerie précises, tels que des outils avancés de microscopie électronique au CFN et des techniques de rayons X à plus haute résolution qui deviendront disponibles à la nouvelle source lumineuse de Brookhaven, NSLS-II, maintenant en construction.
