L'échelle nanométrique est le point de convergence des sciences biologiques et des matériaux. Alors que les machines et les appareils humains se réduisent à la taille des biomolécules, les scientifiques ont besoin d'outils pour mesurer avec précision les changements structurels et les distances infimes. À cette fin, les chercheurs ont développé des règles linéaires basées sur les ondes de surface électroniques connues sous le nom de « plasmons, " qui sont générés lorsque la lumière traverse les dimensions confinées de nanoparticules ou de structures de métaux nobles, comme l'or ou l'argent.

"Deux nanoparticules métalliques nobles à proximité se coupleront par leurs résonances plasmoniques pour générer un spectre de diffusion de la lumière qui dépend fortement de la distance entre les deux nanoparticules, ", dit Alivisatos. "Cet effet de diffusion de la lumière a été utilisé pour créer des règles de plasmons linéaires qui ont été utilisées pour mesurer des distances à l'échelle nanométrique dans des cellules biologiques."

Par rapport à d'autres types de règles moléculaires, qui sont basés sur des colorants chimiques et le transfert d'énergie par résonance de fluorescence (FRET), les règles plasmon ne clignotent ni ne photoblanchissent, et offrent également une photostabilité et une luminosité exceptionnelles. Cependant, jusqu'à présent, les règles plasmon ne pouvaient être utilisées que pour mesurer des distances le long d'une dimension, une limitation qui entrave toute compréhension globale de tous les processus biologiques et autres processus de matière molle qui se déroulent en 3D.

"Le couplage plasmonique dans plusieurs nanoparticules placées à proximité les unes des autres conduit à la diffusion de la lumière
des spectres sensibles à un ensemble complet de mouvements 3D, " dit Laura Na Liu, auteur correspondant de l'article de Science. "La clé de notre succès est que nous avons pu créer des caractéristiques spectrales nettes dans le profil de résonance par ailleurs large des nanostructures couplées au plasmon en utilisant des interactions entre les modes quadripolaire et dipolaire."

Liu explique que les résonances plasmoniques dipolaires typiques sont larges en raison de l'amortissement radiatif. Par conséquent, le simple couplage entre plusieurs particules produit des spectres indistincts qui ne sont pas facilement convertis en distances. Elle et ses co-auteurs ont surmonté ce problème avec une règle 3D construite à partir de cinq nanotiges en or de longueur et d'orientation contrôlées individuellement, dans lequel un nanotige est placé perpendiculairement entre deux paires de nanotiges parallèles pour former une structure qui ressemble à la lettre H.

"Le fort couplage entre la nanotige unique et les deux paires de nanotiges parallèles supprime l'amortissement radiatif et permet l'excitation de deux résonances quadripolaires pointues qui permettent la spectroscopie plasmonique à haute résolution, " dit Liu. " Tout changement de conformation dans cette structure plasmonique 3D produira des changements facilement observables dans les spectres optiques. "

Non seulement les changements de conformation de leurs règles plasmoniques 3D ont-ils modifié les longueurs d'onde de diffusion de la lumière, mais les degrés de liberté spatiale offerts par sa structure à cinq nanotiges ont également permis à Liu et à ses collègues de distinguer la direction ainsi que l'ampleur des changements structurels.

"Comme preuve de concept, nous avons fabriqué une série d'échantillons en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons de haute précision et des nanotechniques d'empilement couche par couche, puis les encastrer avec nos règles plasmon 3D dans un milieu diélectrique sur un substrat de verre, " dit Liu. " Les résultats expérimentaux étaient en excellent accord avec les spectres calculés. "

Alivisatos, Liu et leurs collaborateurs de Stuttgart envisagent un avenir dans lequel les règles plasmon 3D, via des linkers biochimiques, être attaché à un échantillon de macromolécule, par exemple, à divers points le long d'un brin d'ADN ou d'ARN, ou à différentes positions sur une protéine ou un peptide. La macromolécule échantillon serait ensuite exposée à la lumière et les réponses optiques des règles plasmoniques 3D seraient mesurées par microspectroscopie à fond noir.

« La réalisation de règles plasmoniques 3D utilisant des nanoparticules et des linkers biochimiques est un défi, mais des assemblages de nanoparticules 3D avec les symétries et les configurations souhaitées ont déjà été démontrés, " dit Liu. " Nous pensons que ces réalisations expérimentales passionnantes ainsi que l'introduction de notre nouveau concept ouvriront la voie à la réalisation de règles plasmoniques 3D dans les systèmes biologiques et autres systèmes de matière molle. "