Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont développé une approche générale pour combiner différents types de nanoparticules afin de produire des matériaux composites à grande échelle. La technique, décrit dans un article publié en ligne par Nature Nanotechnologie le 20 octobre, 2013, ouvre de nombreuses opportunités pour mélanger et assortir des particules avec différents magnétiques, optique, ou des propriétés chimiques pour former de nouveaux, des matériaux multifonctionnels ou des matériaux aux performances améliorées pour un large éventail d'applications potentielles.

L'approche tire parti de l'appariement attractif de brins complémentaires d'ADN synthétique basé sur la molécule qui porte le code génétique dans sa séquence de bases appariées connue par les lettres A, T, G, et C. Après avoir recouvert les nanoparticules d'une "plate-forme de construction" chimiquement normalisée et ajouté des molécules d'extension auxquelles l'ADN peut facilement se lier, les scientifiques attachent des brins d'ADN complémentaires conçus en laboratoire aux deux types différents de nanoparticules qu'ils souhaitent relier. L'appariement naturel des brins correspondants "auto-assemble" ensuite les particules en un réseau tridimensionnel composé de milliards de particules. Varier la longueur des linkers d'ADN, leur densité surfacique sur les particules, et d'autres facteurs donnent aux scientifiques la capacité de contrôler et d'optimiser différents types de matériaux nouvellement formés et leurs propriétés.

"Notre étude démontre que les méthodes d'assemblage pilotées par l'ADN permettent la création par conception de nanocomposites "superréseaux" à grande échelle à partir d'une large gamme de nanocomposants désormais disponibles, notamment magnétiques, catalytique, et nanoparticules fluorescentes, " a déclaré le physicien de Brookhaven Oleg Gang, qui a dirigé la recherche au Centre des nanomatériaux fonctionnels du laboratoire (CFN). "Cette avancée s'appuie sur nos travaux antérieurs avec des systèmes plus simples, où nous avons démontré que l'appariement de nanoparticules avec différentes fonctions peut affecter les performances des particules individuelles, et il offre des itinéraires pour la fabrication de nouveaux matériaux avec combiné, amélioré, ou même de toutes nouvelles fonctions."

Les applications futures pourraient inclure des points quantiques dont la fluorescence rougeoyante peut être contrôlée par un champ magnétique externe pour de nouveaux types de commutateurs ou de capteurs ; des nanoparticules d'or qui améliorent de manière synergique la luminosité de la lueur fluorescente des points quantiques ; ou des nanomatériaux catalytiques qui absorbent les « poisons » qui dégradent normalement leurs performances, dit Gang.

"Les méthodes modernes de nano-synthèse fournissent aux scientifiques divers types de nanoparticules à partir d'un large éventail d'éléments atomiques, " dit Yugang Zhang, premier auteur de l'article. « Avec notre approche, les scientifiques peuvent explorer les appariements de ces particules de manière rationnelle. »

L'appariement de particules dissemblables présente de nombreux défis que les scientifiques ont étudiés dans les travaux qui ont mené à cet article. Pour comprendre les aspects fondamentaux de divers matériaux nouvellement formés, ils ont utilisé un large éventail de techniques, y compris des études de diffusion des rayons X à la source nationale de lumière synchrotron de Brookhaven (NSLS) et la spectroscopie et la microcopie électronique au CFN.

Par exemple, les scientifiques ont exploré l'effet de la forme des particules. "En principe, les particules de forme différente ne veulent pas coexister dans un même réseau, " a déclaré Gang. " Ils ont soit tendance à se séparer en différentes phases comme l'huile et l'eau refusant de se mélanger ou à former des structures désordonnées. " Les scientifiques ont découvert que l'ADN aide non seulement les particules à se mélanger, mais cela peut également améliorer l'ordre de ces systèmes lorsqu'une enveloppe d'ADN plus épaisse autour des particules est utilisée.

Ils ont également étudié comment le mécanisme d'appariement de l'ADN et d'autres forces physiques intrinsèques, comme l'attraction magnétique entre les particules, pourraient entrer en compétition pendant le processus d'assemblage. Par exemple, les particules magnétiques ont tendance à s'agglomérer pour former des agrégats qui peuvent entraver la liaison de l'ADN d'un autre type de particule. "Nous montrons que des brins d'ADN plus courts sont plus efficaces pour concurrencer l'attraction magnétique, " dit Gang.

Pour le composite particulier d'or et de nanoparticules magnétiques qu'ils ont créé, les scientifiques ont découvert que l'application d'un champ magnétique externe pouvait « changer » la phase du matériau et affecter l'ordre des particules. "C'était juste une démonstration que cela peut être fait, mais il pourrait avoir une application, peut-être des commutateurs magnétiques, ou des matériaux susceptibles de changer de forme à la demande, " dit Zhang.

Le troisième facteur fondamental que les scientifiques ont exploré était la façon dont les particules étaient ordonnées dans les réseaux de super-réseaux :un type de particule occupe-t-il toujours la même position par rapport aux autres types de garçons et de filles assis dans des sièges alternés dans une salle de cinéma ? entrecoupé de manière plus aléatoire ? "C'est ce que nous appelons un ordre de composition, ce qui est important par exemple pour les points quantiques car leurs propriétés optiques, par exemple, leur capacité à briller dépend du nombre de nanoparticules d'or présentes dans l'environnement, " a déclaré Gang. " Si vous avez un trouble de la composition, les propriétés optiques seraient différentes. » Dans les expériences, l'augmentation de l'épaisseur des enveloppes molles d'ADN autour des particules a augmenté le désordre de composition.

Ces principes fondamentaux donnent aux scientifiques un cadre pour la conception de nouveaux matériaux. Les conditions spécifiques requises pour une application particulière dépendront des particules utilisées, Zhang a souligné, mais l'approche de l'assemblée générale serait la même.

dit Gang, "Nous pouvons faire varier la longueur des brins d'ADN pour changer la distance entre les particules d'environ 10 nanomètres à moins de 100 nanomètres, ce qui est important pour les applications car de nombreuses optiques, magnétique, et d'autres propriétés des nanoparticules dépendent du positionnement à cette échelle. Nous sommes enthousiasmés par les voies que cette recherche ouvre en termes d'orientations futures pour l'ingénierie de nouvelles classes de matériaux qui exploitent les effets collectifs et la multifonctionnalité. »