Les nanosciences ont le potentiel de jouer un rôle énorme dans l'amélioration d'une gamme de produits, y compris les capteurs, photovoltaïque et électronique grand public. Les scientifiques dans ce domaine ont créé une multitude de matériaux à l'échelle nanométrique, tels que les nanocristaux métalliques, nanotubes de carbone et nanofils semi-conducteurs. Cependant, malgré leur appel, jusqu'à présent, il est resté un défi incroyable de concevoir l'orientation et le placement de ces matériaux dans les architectures de dispositifs souhaitées qui sont reproductibles avec des rendements élevés et à faible coût - jusqu'à présent.

Jen Cha, un professeur de nano-ingénierie à l'UC San Diego, et son équipe de chercheurs, ont découvert qu'une façon de combler cette lacune est d'utiliser des biomolécules, comme l'ADN et les protéines. Les détails de cette découverte ont été récemment publiés dans un article intitulé "Large Area Spatially Ordered Arrays of Gold Nanoparticles Directed by Lithographically Confined DNA Origami, " dans Nature Nanotechnologie .

"Les structures auto-assemblées sont souvent trop petites et les motifs lithographiques abordables sont trop grands, " dit Albert Hung, auteur principal de l'article sur Nature Nanotechnology et post-doctorant travaillant dans le laboratoire de Cha. "Mais des nanostructures d'ADN synthétiques conçues de manière rationnelle nous permettent d'accéder à des échelles de longueur comprises entre 5 et 100 nanomètres et de relier les deux systèmes.

"Les gens ont créé une grande variété de nanostructures uniques et fonctionnelles, mais pour certaines applications prévues, ils ne valent rien à moins que vous ne puissiez placer des structures individuelles, des milliards ou des trillions d'entre eux à la fois, à des endroits précis, " Hung a ajouté. "Nous espérons que nos recherches nous rapprochent de la résolution de ce problème très difficile."

Hung a déclaré que la méthode récemment découverte pourrait être utile pour fabriquer des circuits électroniques ou optiques à l'échelle nanométrique et des capteurs multiplex.

"Un certain nombre de groupes ont déjà travaillé sur des parties de ce problème de recherche, mais à notre connaissance, nous sommes les premiers à tenter d'aborder autant de parties ensemble, " il a dit.

L'une des principales applications de cette recherche à laquelle Cha et son groupe s'intéressent est la détection. "Il n'y a actuellement aucune voie prévisible pour pouvoir construire un réseau complexe de différents éléments de détection à l'échelle nanométrique, " dit Cha, un ancien chercheur d'IBM qui a rejoint la faculté d'ingénierie de l'UCSD Jacobs School of Engineering en 2008. "Notre travail est l'un des premiers exemples clairs de la façon dont vous pouvez fusionner la lithographie descendante avec l'auto-assemblage ascendant pour construire un tel réseau. Cela signifie que vous avoir un substrat qui est modelé par lithographie conventionnelle, et ensuite vous devez prendre ce modèle et le fusionner avec quelque chose qui peut diriger l'assemblage d'objets encore plus petits, tels que ceux ayant des dimensions comprises entre 2 et 20 nanomètres. Vous avez besoin d'un modèle intermédiaire, qui est l'origami de l'ADN, qui a la capacité de se lier à autre chose de beaucoup plus petit et de diriger leur assemblage dans la configuration souhaitée. Cela signifie que nous pouvons potentiellement construire des transistors à partir de nanotubes de carbone et éventuellement utiliser des nanostructures pour détecter certaines protéines dans des solutions. Les scientifiques ont parlé de modeler différents ensembles de protéines sur un substrat et nous avons maintenant la capacité de le faire. »

Cha a déclaré que la prochaine étape serait de développer un appareil basé sur cette méthode de recherche.

« Je suis très intéressé par les applications de cette recherche et nous travaillons pour y arriver, " elle a dit.

Depuis 6 ans, Les recherches de Cha se sont concentrées sur l'utilisation de la biologie pour concevoir l'assemblage de matériaux à l'échelle nanométrique pour des applications en médecine, l'électronique et l'énergie. L'une des limites de la nanoscience est qu'elle ne permet pas la production de masse de produits, mais le travail de Cha consiste à essayer de comprendre comment faire cela et le faire à moindre coût. Une grande partie de ses travaux récents se sont concentrés sur l'utilisation de l'ADN pour construire des structures 2D.

« L'utilisation de l'ADN pour assembler des matériaux est un domaine qui enthousiasme beaucoup de gens, " a dit Cha. " Vous pouvez plier l'ADN dans tout ce que vous voulez - par exemple, vous pouvez construire un grand échafaudage et à l'intérieur de celui-ci, vous pouvez assembler de très petits objets tels que des nanoparticules, nano fils ou protéines.

"Les ingénieurs doivent comprendre les forces physiques nécessaires pour construire des réseaux fonctionnels à partir de matériaux fonctionnels, " a-t-elle ajouté. " Mon travail en tant que nano-ingénieur est de déterminer ce que vous devez faire pour assembler toutes les différentes pièces, qu'il s'agisse d'un véhicule de livraison de médicaments, applications photovoltaïques, capteurs ou transistors. Nous devons réfléchir à des moyens de prendre tous les nanomatériaux et de les transformer en quelque chose que les gens peuvent utiliser et conserver. »