Les scientifiques du BNL ont utilisé des linkers d'ADN avec trois sites de liaison (les « chaînes » noires) pour connecter des nanoparticules d'or (sphères orange et rouges) et des molécules de colorant fluorescent (sphères bleues) marquées avec des séquences d'ADN complémentaires. Ces unités sont auto-assemblées pour former un réseau cubique centré avec des nanoparticules aux coins et au centre, et des molécules de colorant fluorescent entre les deux.
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis rapportent le premier assemblage réussi de structures nanométriques multi-composants en 3D avec des propriétés optiques réglables qui incorporent des particules absorbant et émettant de la lumière. Ce travail, utiliser de l'ADN synthétique comme composant programmable pour lier les nanoparticules, démontre la polyvalence de la nanotechnologie basée sur l'ADN pour la fabrication de classes fonctionnelles de matériaux, notamment optiques, avec des applications possibles dans les dispositifs de conversion d'énergie solaire, capteurs, et des circuits nanométriques. La recherche a été publiée en ligne le 29 septembre 2010, dans la revue Lettres nano .
« Pour la première fois, nous avons démontré une stratégie pour l'assemblage de 3-D, bien défini, des structures optiquement actives utilisant des composants codés par l'ADN de différents types, ", a déclaré l'auteur principal Oleg Gang du Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven. Comme les travaux antérieurs de Gang et de ses collègues, cette technique utilise la haute spécificité de liaison entre brins complémentaires d'ADN pour lier les particules entre elles de manière précise.
Dans l'étude actuelle, les molécules de liaison d'ADN avaient trois sites de liaison. Les deux extrémités des brins ont été conçues pour se lier à des brins complémentaires sur des nanoparticules d'or «plasmoniques» - des particules dans lesquelles une longueur d'onde particulière de la lumière induit une oscillation collective des électrons conducteurs, conduisant à une forte absorption de la lumière à cette longueur d'onde. La partie interne de chaque ADN linker a été codée pour reconnaître un brin complémentaire lié chimiquement à une molécule de colorant fluorescent. Cette configuration a abouti à l'auto-assemblage de structures cristallines cubiques centrées sur le corps 3-D avec des nanoparticules d'or situées à chaque coin du cube et au centre, avec des molécules de colorant à des positions définies entre les deux.
Les scientifiques ont également démontré que les structures assemblées peuvent être réglées dynamiquement en modifiant la concentration en sel de la solution dans laquelle elles sont formées. Les changements de salinité modifient la longueur des molécules d'ADN chargées négativement, entraînant une contraction et une expansion réversibles de l'ensemble du réseau d'environ 30 pour cent de longueur.
« On a compris depuis longtemps que la distance entre les nanoparticules métalliques et les molécules de colorant appariées peut affecter les propriétés optiques de ces dernières, " a déclaré Matthew Sfeir, co-auteur et opticien au CFN. Dans cette expérience, l'expansion et la contraction du réseau cristallin déclenchées par les changements de concentration en sel ont permis une modulation spectaculaire d'une réponse optique :une multiplication par trois du taux d'émission des molécules fluorescentes a été observée.
Les structures 3-D résultantes pourraient être ajustées en ajustant la concentration en sel. Au fur et à mesure que la concentration en sel augmentait, les cristaux se sont contractés d'environ 30 pour cent, diminuer la distance (D) entre les particules. Cette contraction de la distance interparticulaire a eu un effet dramatique sur la fluorescence des molécules de colorant, en les faisant cycler les photons plus rapidement, comme indiqué par l'échelle de couleurs à gauche des images cristallines (voir image ci-dessous), qui va de près de 2 nanosecondes par cycle pour le colorant libre (A), à environ 0,7 nanoseconde par cycle dans des réseaux plus grands (C), à un peu plus de 0,3 nanoseconde par cycle pour les cristaux contractés (E).
Ces résultats ont été déterminés en utilisant une combinaison de diffusion de rayons X aux petits angles à la source nationale de lumière synchrotron (NSLS) de Brookhaven et de méthodes de fluorescence à résolution temporelle au CFN. "Cette combinaison de méthodes structurelles basées sur le synchrotron et de techniques d'imagerie optique résolues en temps a fourni un aperçu direct inestimable de la relation entre la structure et les propriétés fluorescentes de ces réseaux électroluminescents, », a déclaré Gang.
« Notre étude aborde des questions importantes sur l'auto-assemblage de systèmes à partir de composants de types multiples. De tels systèmes permettent potentiellement de moduler les propriétés des composants individuels, et pourrait conduire à l'émergence de nouveaux comportements en raison d'effets collectifs. Cette approche d'assemblage peut être appliquée pour explorer un tel comportement collectif de réseaux nano-optiques tridimensionnels - par exemple, l'influence du réseau plasmonique sur les boîtes quantiques.
« Une compréhension de ces interactions serait pertinente pour développer de nouveaux matériaux optiques pour le photovoltaïque, photocatalyse, l'informatique, et les applications électroluminescentes. Nous avons maintenant une approche pour fabriquer ces structures et étudier plus avant ces effets. »
