La nature est un maître bâtisseur. En utilisant une approche ascendante, la nature prend de minuscules atomes et, par liaison chimique, fabrique des matériaux cristallins, comme des diamants, du silicium et même du sel de table. Dans chacun d'eux, les propriétés des cristaux dépendent du type et de la disposition des atomes dans le réseau cristallin.
Maintenant, une équipe de scientifiques de la Northwestern University a appris à surpasser la nature en construisant des matériaux cristallins à partir de nanoparticules et d'ADN, le même matériel qui définit le code génétique de tous les organismes vivants.
En utilisant les nanoparticules comme « atomes » et l'ADN comme « liaisons, " les scientifiques ont appris à créer des cristaux avec les particules disposées dans les mêmes types de configurations de réseau atomique que certaines trouvées dans la nature, mais ils ont également construit des structures complètement nouvelles qui n'ont pas d'équivalent minéral naturel.
Les règles de conception de base que les scientifiques de Northwestern ont établies pour cette approche de l'assemblage de nanoparticules promettent la possibilité de créer une variété de nouveaux matériaux qui pourraient être utiles en catalyse, électronique, optique, biomédecine et production d'énergie, technologies de stockage et de conversion.
La nouvelle méthode et les règles de conception pour fabriquer des matériaux cristallins à partir de nanostructures et d'ADN seront publiées le 14 octobre par la revue Science .
"Nous construisons une nouvelle sorte de tableau périodique, " a déclaré le professeur Chad A. Mirkin, qui a dirigé la recherche. "En utilisant ces nouvelles règles de conception et nanoparticules comme 'atomes artificiels, ' nous avons développé des modes de cristallisation contrôlée qui sont, à bien des égards, plus puissant que la façon dont la nature et les chimistes fabriquent des matériaux cristallins à partir d'atomes. En contrôlant la taille, forme, type et emplacement des nanoparticules dans un réseau donné, nous pouvons fabriquer des matériaux et des arrangements de particules complètement nouveaux, pas seulement ce que la nature dicte."
Mirkin est professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences et professeur de médecine, génie chimique et biologique, génie biomédical et science et ingénierie des matériaux et directeur de l'Institut international de nanotechnologie (IIN) de Northwestern.
"Une fois que nous avons un certain type de treillis, " Mirkin a dit, « les particules peuvent être rapprochées ou éloignées en modifiant la longueur de l'ADN interconnecté, offrant ainsi une accordabilité quasi infinie. »
"Ce travail est le résultat d'une collaboration interdisciplinaire qui a couplé la chimie de synthèse à la construction de modèles théoriques, " a déclaré le coauteur George C. Schatz, un théoricien de renommée mondiale et le professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison à Northwestern. « Ce sont les allers-retours entre la synthèse et la théorie qui ont été déterminants pour l'élaboration des règles de conception. La collaboration est un aspect particulier de la recherche à Northwestern, et cela a fonctionné très efficacement pour ce projet."
Dans l'étude, les chercheurs partent de deux solutions de nanoparticules recouvertes d'ADN simple brin. Ils ajoutent ensuite des brins d'ADN qui se lient à ces particules fonctionnalisées par l'ADN, qui présentent alors un grand nombre d'"extrémités collantes" d'ADN à une distance contrôlée de la surface des particules; ces extrémités collantes se lient alors aux extrémités collantes des particules adjacentes, formant un arrangement macroscopique de nanoparticules.
Différentes structures cristallines sont obtenues en utilisant différentes combinaisons de nanoparticules (avec des tailles variables) et de brins de liaison d'ADN (avec des longueurs contrôlables). Après un processus de mélange et de chauffage, les particules assemblées passent d'un état initialement désordonné à un état où chaque particule est précisément localisée selon une structure en réseau cristallin. Le processus est analogue à la façon dont les cristaux atomiques ordonnés sont formés.
Les chercheurs rapportent six règles de conception qui peuvent être utilisées pour prédire la stabilité relative de différentes structures pour un ensemble donné de tailles de nanoparticules et de longueurs d'ADN. Dans le journal, ils utilisent ces règles pour préparer 41 structures cristallines différentes avec neuf symétries cristallines distinctes. Cependant, les règles de conception décrivent une stratégie pour ajuster indépendamment chacun des paramètres cristallographiques pertinents, dont la taille des particules (variée de 5 à 60 nanomètres), la symétrie cristalline et les paramètres de maille (qui peuvent aller de 20 à 150 nanomètres). Cela signifie que ces 41 cristaux ne sont qu'un petit exemple du nombre presque infini de réseaux qui pourraient être créés à l'aide de différentes nanoparticules et brins d'ADN.
Mirkin et son équipe ont utilisé des nanoparticules d'or dans leur travail, mais notent que leur méthode peut également être appliquée aux nanoparticules d'autres compositions chimiques. Tant le type de nanoparticule assemblée que la symétrie de la structure assemblée contribuent aux propriétés d'un réseau, faisant de cette méthode un moyen idéal pour créer des matériaux aux propriétés physiques prévisibles et contrôlables.
Mirkin pense que, un jour prochain, un logiciel sera créé qui permettra aux scientifiques de choisir les paires de particules et d'ADN nécessaires pour créer presque n'importe quelle structure à la demande.
