Les nanotubes sont à l'étude pour une utilisation potentielle dans toutes sortes de détection, même dans les domaines apparemment disparates des applications biologiques et de l'exploration pétrolière. À la fois, la capacité des nanotubes et autres fines, particules filamenteuses pour se déplacer dans leur environnement est critique, dit Pasquali.

Comprendre le mouvement d'un seul, chaîne polymère flexible dans un réseau a été la clé des avancées scientifiques d'Odijk et d'autres sur, par exemple, le comportement de l'ADN. Les chercheurs de Rice s'attendent à ce que leur révélation n'ait pas moins d'impact.

Pasquali et l'auteur principal Nikta Fakhri, un ancien étudiant diplômé de Rice faisant maintenant des recherches postdoctorales à l'Université de Göttingen, Allemagne, a entrepris de briser les théories dans l'impasse d'Odijk et de deux autres scientifiques qui n'étaient pas d'accord sur le mouvement brownien des filaments rigides dans un environnement surpeuplé, et si la rigidité elle-même a joué un rôle.

"Il y a une longue histoire, question fondamentale :comment cet objet filiforme se déplace-t-il lorsqu'il est encombré ? Il pourrait y avoir du monde parce que c'est dans un gel, ou parce qu'il y a beaucoup d'objets filiformes avec - qui pour cet objet ressemble à un gel, " il a dit.

L'encombrement limite la capacité d'un filament à se déplacer. Pensez à essayer de passer de l'arrière à l'avant d'un bus bondé ; il faut une certaine agilité pour se frayer un chemin à travers les corps entassés. "Il s'avère qu'avec un peu de flexibilité, un filament peut explorer l'espace qui l'entoure beaucoup plus efficacement, " a déclaré Pasquali.

Cela devient important lorsque l'objectif est de faire en sorte que les filaments trouvent et pénètrent dans un pore cellulaire pour délivrer une dose de médicament ou pour agir comme un capteur fluorescent.

« Si vous regardez le corps humain, ils disent que nous sommes faits de 60 pour cent d'eau, mais on ne traîne pas, " expliqua Pasquali. " C'est parce que l'eau est piégée dans les pores. Presque toute l'eau de notre corps se trouve dans des structures de type gel :à l'intérieur de nos cellules, qui sont chargés de réseaux filamenteux, ou dans le liquide interstitiel entourant ces cellules. Nous sommes un grand, spongieux, milieu poreux. Nous devons comprendre comment les nanoparticules se déplacent dans ce milieu."

Pasquali et Fakhri ont imité les réseaux biologiques en utilisant des concentrations variables de gel d'agarose, un matériau poreux souvent utilisé comme filtre en biochimie et biologie moléculaire pour l'ADN et les protéines. Le gel forme une matrice de taille contrôlable à travers laquelle les molécules peuvent se déplacer.

Les nanotubes ont servi de substitut à tout type de filament, mais dont la rigidité peut être contrôlée. Comme un tuyau en PVC dans le monde macro, les nanotubes deviennent plus rigides à mesure qu'ils s'épaississent ; mais même les tubes les plus rigides peuvent fléchir un peu avec la longueur, et ces tubes étaient des milliers de fois plus longs que larges.

L'étude a commencé quelque peu par hasard lorsque le co-auteur Laurent Cognet, chercheur au CNRS et à l'Université de Bordeaux, essayé d'immobiliser des nanotubes dans des gels d'agarose. Il a remarqué lors d'une expérience ratée que les nanotubes se déplaçaient d'une « manière amusante » et en a discuté avec Pasquali.

Pasquali a demandé si les nanotubes se reproduisaient – ​​le jargon scientifique pour un mouvement semblable à un serpent – ​​et Cognet a dit oui. Fakhri, qui étudiait la dynamique des nanotubes, s'est rendu au laboratoire bordelais de Cognet et co-auteur Brahim Lounis pour capturer des images des nanotubes en mouvement.

Les images fixes et vidéo spectroscopiques et directes résultantes de 35 nanotubes fluorescents à paroi unique les ont montrés serpentant à travers le gel, sonder les pores et les chemins. Les nanotubes, comme tous les filaments, obéissait aux règles du mouvement brownien induit thermiquement; ils étaient poussés et tirés par les états toujours changeants des molécules qui les entouraient.

La recherche a établi que la flexibilité améliore considérablement la capacité des nanotubes à contourner les obstacles et accélère leur exploration.

Pasquali a déclaré que Fakhri poursuivait obstinément son analyse du mouvement des nanotubes grâce à la reconnaissance d'images informatisée et au suivi des mouvements, ainsi que l'analyse dynamique à l'ancienne au crayon et au papier. Il a dit que son collaborateur de longue date, co-auteur Frederick MacKintosh, un physicien théoricien à l'Université de Vrije, a été d'une aide précieuse. MacKintosh étudie la dynamique des réseaux biologiques depuis près de deux décennies.

Pasquali a l'intention de remplacer le gel par de vraies roches pour voir comment les nanotubes, qui peuvent être utilisés comme capteurs de détection d'huile, évoluer dans un environnement plus structuré. "Les roches peuvent être un peu plus compliquées, " dit-il. " La question ici est, que peuvent faire les nanotubes de mieux que les nanoparticules ? La réponse peut être que les nanotubes minces peuvent interagir avec les champs électromagnétiques plus fortement que d'autres nanoparticules du même volume."