Des chercheurs de l'Université de l'Illinois et de la Northwestern University ont démontré des structures bio-inspirées qui s'auto-assemblent à partir de simples blocs de construction :des sphères.

Les "supermolécules" hélicoïdales sont constituées de minuscules boules colloïdales au lieu d'atomes ou de molécules. Des méthodes similaires pourraient être utilisées pour fabriquer de nouveaux matériaux dotés de la fonctionnalité de molécules colloïdales complexes. L'équipe publiera ses conclusions dans le numéro du 14 janvier de la revue Science .

« Nous pouvons maintenant créer une toute nouvelle classe de matériaux intelligents, qui ouvre la porte à de nouvelles fonctionnalités que nous ne pouvions pas imaginer auparavant, " a déclaré Steve Granick, Professeur fondateur d'ingénierie à l'Université de l'Illinois et professeur de science et d'ingénierie des matériaux, chimie, et physique.

L'équipe de Granick a développé de minuscules sphères de latex, surnommés « sphères de Janus, " qui s'attirent dans l'eau d'un côté, mais se repoussent de l'autre côté. La double nature est ce qui donne aux sphères leur capacité à former des structures inhabituelles, de la même manière que les atomes et les molécules.

Dans l'eau pure, les particules se dispersent complètement parce que leurs côtés chargés se repoussent. Cependant, quand du sel est ajouté à la solution, les ions de sel adoucissent la répulsion afin que les sphères puissent se rapprocher suffisamment pour que leurs extrémités hydrophobes s'attirent. L'attraction entre ces extrémités rassemble les sphères en grappes.

A de faibles concentrations en sel, de petits amas de quelques particules seulement se forment. Aux niveaux supérieurs, des grappes plus grandes se forment, s'auto-assemblant finalement en chaînes avec une structure hélicoïdale complexe.

"Tout comme les atomes qui se transforment en molécules, ces particules peuvent se transformer en supracolloïdes, " a déclaré Granick. " De telles voies seraient très conventionnelles si nous parlions d'atomes et de molécules réagissant les uns avec les autres chimiquement, mais les gens n'ont pas réalisé que les particules peuvent aussi se comporter de cette manière."

L'équipe a conçu des sphères avec juste la bonne quantité d'attraction entre leurs moitiés hydrophobes afin qu'elles se collent les unes aux autres tout en restant suffisamment dynamiques pour permettre le mouvement, réarrangement, et la croissance des grappes.

"La quantité d'adhérence compte vraiment beaucoup. Vous pouvez vous retrouver avec quelque chose de désordonné, juste de petites grappes, ou si les sphères sont trop collantes, vous vous retrouvez avec un désordre globulaire à la place de ces belles structures, " a déclaré l'étudiant diplômé Jonathan Whitmer, un co-auteur de l'article.

L'un des avantages des supermolécules de l'équipe est qu'elles sont suffisamment grosses pour être observées en temps réel à l'aide d'un microscope. Les chercheurs ont pu observer les sphères de Janus se rassembler et les amas se développer - que ce soit une sphère à la fois ou en fusionnant avec d'autres petits amas - et se réorganiser en différentes configurations structurelles que l'équipe appelle les isomères.

"Nous concevons ces matériaux intelligents pour qu'ils prennent des formes utiles que la nature ne choisirait pas, " dit Granick.

Étonnamment, calculs théoriques et simulations informatiques par Erik Luijten, Northwestern University professeur de science et ingénierie des matériaux et de sciences de l'ingénieur et mathématiques appliquées, et Whitmer, un étudiant de son groupe, ont montré que les structures hélicoïdales les plus courantes ne sont pas les plus énergétiquement favorables. Plutôt, les sphères se rejoignent de la manière la plus cinétiquement favorable, c'est-à-dire le premier bon ajustement qu'ils rencontrent.

Prochain, les chercheurs espèrent continuer à explorer les propriétés des colloïdes en vue de concevoir des structures plus artificielles. Des particules de Janus de tailles ou de formes différentes pourraient ouvrir la porte à la construction d'autres supermolécules et à un meilleur contrôle de leur formation.

"Ces particules particulières ont des structures préférées, mais maintenant que nous réalisons le mécanisme général, nous pouvons l'appliquer à d'autres systèmes - des particules plus petites, différentes interactions - et essayez de concevoir des clusters qui changent de forme, " dit Granick.