Les cellules animales et végétales sont des exemples éminents de la façon dont la nature construit des unités toujours plus grandes dans un environnement ciblé, manière préprogrammée en utilisant des molécules comme blocs de construction. En nanotechnologie, les scientifiques imitent cette technique « ascendante » en utilisant la capacité des nanomatériaux convenablement structurés à « s'auto-assembler » en architectures d'ordre supérieur. En appliquant ce concept, scientifiques des polymères de Bayreuth, Aix-la-Chapelle, Iéna, Mayence, et Helsinki ont récemment publié un article dans la prestigieuse revue La nature qui décrit un nouveau principe pour l'auto-assemblage de nanoparticules à motifs. Ce principe peut avoir des implications importantes pour la compréhension fondamentale de ces processus ainsi que des technologies futures.

L'équipe de recherche est dirigée par le professeur Axel Müller, qui était titulaire de la chaire de chimie macromoléculaire II à l'Université de Bayreuth jusqu'à sa retraite en 2012 ; il est maintenant membre du Gutenberg Research College de l'Université de Mayence. Les autres membres de l'équipe sont le Dr André Gröschel (anciennement à l'Université de Bayreuth, maintenant l'Université Aalto d'Helsinki), Tina Löbling et Dr Holger Schmalz (Université de Bayreuth), Dr Andreas Walther (Centre de recherche sur les matériaux interactifs à l'Université d'Aix-la-Chapelle), et professeur junior Dr. Felix Schacher (Université Friedrich Schiller d'Iéna). La recherche a été menée à l'Université de Bayreuth et financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) au sein du Centre de recherche collaboratif 840 "Des nano-systèmes particulaires à la mésotechnologie".

Le processus d'auto-assemblage décrit dans La nature commence par des macromolécules en forme de chaîne avec une taille comprise entre 10 et 20 nanomètres. En chimie, de telles macromolécules sont appelées terpolymères triblocs. Ils sont composés de trois sections linéaires (blocs) connectées les unes aux autres en séquence. Ils sont générés à l'aide d'un procédé de synthèse spécial, c'est à dire., la soi-disant "polymérisation vivante, " et sont facilement accessibles aux chercheurs. L'équipe de recherche a pu guider les macromolécules triblocs en nanoparticules molles d'un diamètre d'environ 50 nanomètres. Le choix des solvants a joué un rôle clé dans ce processus d'auto-assemblage macromoléculaire. Les solvants ont été sélectionnés avec précision. et utilisé de telle sorte que la solubilité variable des trois blocs et l'incompatibilité des polymères entre eux contribuent de manière significative à la qualité de la structure intérieure souhaitée des nanoparticules.

Les scientifiques ont appliqué cette technique à deux types de terpolymères triblocs. Celles-ci différaient en ce qui concerne les propriétés chimiques des blocs intermédiaires. Les séquences de blocs des macromolécules étaient A-B-C et A-D-C, respectivement. La première donne des nanoparticules avec un seul site de liaison et tend à former des amas sphériques, tandis que ce dernier crée des nanoparticules avec deux sites de liaison et tend ainsi à former des superstructures linéaires. Surtout, dans les deux cas, la structure des nanoparticules est préprogrammée par la structure chimique de la macromolécule source de la même manière que la structure d'une protéine est déterminée par sa séquence d'acides aminés.

Cependant, le processus d'auto-assemblage ne s'arrête pas aux nanoparticules. Si les nanoparticules formées par chaque type de macromolécule étaient laissées à elles-mêmes, il en résulterait des superstructures sphériques d'une part et des superstructures linéaires d'autre part. L'équipe de Müller a développé et mis en œuvre une approche différente. Les nanoparticules avec un et deux sites de liaison sont mélangées de sorte qu'elles s'agrègent en une toute nouvelle superstructure dans un processus de co-assemblage. Dans la superstructure finale, les nanoparticules provenant des molécules A-B-C et les nanoparticules formées par les molécules A-D-C alternent selon un motif défini avec précision.

Vu sous un microscope électronique à transmission, la nouvelle superstructure ressemble fortement à une larve de chenille, car il se compose également d'une série de sections régulièrement commandées. L'équipe de recherche de Müller a ainsi inventé le terme « micelles de chenilles » pour de telles superstructures co-assemblées.

Les résultats de la recherche récemment publiés dans La nature représentent une percée dans le domaine de la structuration hiérarchique et de la nano-ingénierie car elle permet de créer de nouveaux matériaux en auto-assemblant des particules préprogrammées. Cela pourrait changer la donne, car jusqu'à présent, seules les procédures descendantes, c'est à dire., extraire une microstructure d'un complexe plus grand, sont des processus de structuration largement acceptés. "Les limites de cette technique ne deviendront que trop apparentes dans un avenir proche, " explique Müller. " Il est rarement possible de générer des structures complexes de l'ordre du nanomètre. "

Cependant, un principe ascendant d'auto-assemblage basé sur celui employé dans la nature pourrait bien représenter la meilleure voie à suivre. Un facteur qui le rend particulièrement attrayant est le grand nombre de macromolécules, qui sont facilement disponibles comme blocs de construction. Ils peuvent être utilisés pour incorporer des propriétés spécifiques dans les superstructures résultantes, comme la sensibilité aux stimuli environnementaux (par exemple la température, léger, champs électriques et magnétiques, etc.) ou leur donner la possibilité d'être allumés et éteints à volonté. Les applications possibles incluent la nanolithographie et l'administration de médicaments dans lesquels le moment et le site de libération de substances actives peuvent être préprogrammés. Ici, la similitude avec les principes structurels des cellules animales et végétales redevient apparente, où diverses propriétés sont compartimentées dans des zones d'espace limité.

Les macromolécules portant divers segments fonctionnels peuvent être des centaines de fois plus petites qu'un micromètre. Les superstructures produites par de telles macromolécules ont une résolution correspondante élevée. « Les technologies futures – telles que les cellules artificielles sur mesure, transistor, ou composants pour la micro/nano-robotique – peuvent bénéficier significativement de cette structuration particulièrement délicate, " a expliqué Müller. " Les résultats de la recherche que nous avons publiés dans La nature n'ont pas encore d'applications immédiates dans le monde réel. Néanmoins, mieux nous comprenons les processus ascendants commençant par des molécules de l'ordre du nanomètre et passant aux niveaux hiérarchiques supérieurs de l'ordre du micromètre, les technologies futures les plus probables seront à notre portée. » Les micelles de chenilles ne sont en aucun cas les seules superstructures pouvant être produites avec les nanoparticules auto-assemblantes. « De telles nanoparticules molles peuvent être combinées avec des nano- et microparticules inorganiques ou biologiques pour créer matériaux auparavant inconnus avec des fonctions spécifiques. Le nombre de combinaisons possibles est pratiquement infini, " conclut Müller.