L'image du haut est une photographie de minéraux macroscopiques existants qui montre que le facettage est un attribut commun dans les systèmes cristallins d'atomes. L'image en bas à gauche est une image au microscope électronique de microcristaux à facettes constitués de nanoparticules assemblées par des interactions d'ADN, dont un schéma est fourni dans l'image en bas à droite d'une simulation de dynamique moléculaire du système. La forme observée du cristal de nanoparticules est un dodécaèdre rhombique, un polyèdre à 12 côtés, qui est la structure cristalline d'équilibre de nombreux systèmes métalliques avec un empilement d'atomes cubique centré sur le corps. Crédit :Evelyn Auyeung/Ting Li/Chad A. Mirkin/Monica Olvera de la Cruz
La nature construit des diamants sans défaut, saphirs et autres pierres précieuses. Aujourd'hui, une équipe de recherche de la Northwestern University est la première à construire des monocristaux presque parfaits à partir de nanoparticules et d'ADN, utilisant la même structure favorisée par la nature.
"Les monocristaux sont l'épine dorsale de beaucoup de choses sur lesquelles nous comptons - les diamants pour la beauté ainsi que les applications industrielles, les saphirs pour les lasers et le silicium pour l'électronique, " a déclaré le nanoscientifique Chad A. Mirkin. " Le placement précis des atomes dans un réseau bien défini définit ces cristaux de haute qualité.
"Maintenant, nous pouvons faire la même chose avec les nanomatériaux et l'ADN, le plan de la vie, " a déclaré Mirkin. " Notre méthode pourrait conduire à de nouvelles technologies et même permettre de nouvelles industries, autant que la capacité de faire croître du silicium dans des arrangements cristallins parfaits a rendu possible l'industrie des semi-conducteurs de plusieurs milliards de dollars."
Son groupe de recherche a développé la "recette" pour utiliser les nanomatériaux comme atomes, L'ADN sous forme de liaisons et un peu de chaleur pour former de minuscules cristaux. Cette recette de monocristal s'appuie sur des techniques de super-réseaux que le laboratoire de Mirkin développe depuis près de deux décennies.
Dans ce travail récent, Mirkin, un expérimentateur, fait équipe avec Monica Olvera de la Cruz, un théoricien, pour évaluer la nouvelle technique et développer une compréhension de celle-ci. Étant donné un ensemble de nanoparticules et un type spécifique d'ADN, Olvera de la Cruz a montré qu'ils peuvent prédire avec précision la structure 3-D, ou en forme de cristal, dans lequel les composants désordonnés vont s'auto-assembler.
Mirkin est professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences. Olvera de la Cruz est professeur d'avocat Taylor et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering and Applied Science. Les deux sont les co-auteurs principaux de l'étude.
Les résultats seront publiés le 27 novembre dans la revue La nature .
L'ensemble général d'instructions donne aux chercheurs un contrôle sans précédent sur le type et la forme des cristaux qu'ils peuvent construire. L'équipe de Northwestern a travaillé avec des nanoparticules d'or, mais la recette peut être appliquée à une variété de matériaux, avec des applications potentielles dans les domaines de la science des matériaux, photonique, électronique et catalyse.
L'ADN est utilisé à la fois comme modèle et comme élément de base pour la construction de cristaux bien définis. Grâce à l'utilisation d'interactions ADN programmées, les nanoparticules sont assemblées en réseaux ordonnés qui forment les composants structurels qui composent des cristaux tridimensionnels avec une forme bien définie. Crédit :Evelyn Auyeung/Ting Li/Chad A. Mirkin/Monica Olvera de la Cruz
Un monocristal a de l'ordre :son réseau cristallin est continu et ininterrompu. L'absence de défauts dans le matériau peut donner à ces cristaux une mécanique unique, propriétés optiques et électriques, les rendant très désirables.
Dans l'étude du Nord-Ouest, des brins d'ADN complémentaire agissent comme des liaisons entre des nanoparticules d'or désordonnées, les transformant en un cristal ordonné. Les chercheurs ont déterminé que le rapport entre la longueur du linker d'ADN et la taille de la nanoparticule est critique.
« Si vous obtenez le bon rapport, cela fait un cristal parfait, n'est-ce pas amusant ? » dit Olvera de la Cruz, qui est également professeur de chimie au Weinberg College of Arts and Sciences. "C'est la chose fascinante, qu'il faut avoir le bon ratio. Nous apprenons tellement de règles pour calculer des choses que les autres ne peuvent pas calculer en atomes, dans des cristaux atomiques."
Le rapport affecte l'énergie des faces des cristaux, qui détermine la forme finale du cristal. Les ratios qui ne suivent pas la recette conduisent à de grandes fluctuations d'énergie et aboutissent à une sphère, pas un cristal facetté, elle a expliqué. Avec le bon rapport, les énergies fluctuent moins et donnent un cristal à chaque fois.
"Imaginez avoir un million de boules de deux couleurs, un peu de rouge, du bleu, dans un conteneur, et tu essaies de les secouer jusqu'à ce que tu obtiennes une alternance de boules rouges et bleues, " expliqua Mirkin. " Cela n'arrivera jamais.
"Mais si vous attachez un ADN complémentaire aux nanoparticules, le rouge a un type d'ADN, dire, le bleu son complément - et maintenant tu trembles, ou dans notre cas, il suffit d'ajouter de l'eau, toutes les particules vont se retrouver et s'enchaîner, ", a-t-il déclaré. "Ils s'assemblent magnifiquement en un cristal tridimensionnel que nous avons prédit par calcul et réalisé expérimentalement."
Pour réaliser un monocristal auto-assemblant en laboratoire, l'équipe de recherche rapporte avoir pris deux ensembles de nanoparticules d'or équipées de brins de liaison d'ADN complémentaires. Travaillant avec environ 1 million de nanoparticules dans l'eau, ils ont chauffé la solution à une température juste au-dessus du point de fusion des lieurs d'ADN, puis ont lentement refroidi la solution à température ambiante, qui a pris deux ou trois jours.
Le processus de refroidissement très lent a encouragé l'ADN simple brin à trouver son complément, résultant en un monocristal de haute qualité d'environ trois microns de large. "Le processus donne au système suffisamment de temps et d'énergie pour que toutes les particules s'organisent et trouvent les endroits où elles devraient se trouver, " a déclaré Mirkin.
Les chercheurs ont déterminé que la longueur de l'ADN connecté à chaque nanoparticule d'or ne peut pas être beaucoup plus longue que la taille de la nanoparticule. Dans l'étude, les nanoparticules d'or variaient de cinq à 20 nanomètres de diamètre; pour chaque, la longueur d'ADN qui a conduit à la formation de cristaux était d'environ 18 paires de bases et six "extrémités collantes" à base unique.
"Il n'y a aucune raison pour que nous ne puissions pas faire pousser des monocristaux extraordinairement gros à l'avenir en utilisant des modifications de notre technique, " dit Mirkin, qui est aussi professeur de médecine, génie chimique et biologique, génie biomédical et science et ingénierie des matériaux et directeur de l'Institut international de nanotechnologie de Northwestern.
Le titre de l'article est "Cristallisation de nanoparticules médiée par l'ADN dans les polyèdres de Wulff".
Outre Mirkin et Olvera de la Cruz, les auteurs de l'article sont Evelyn Auyeung (premier auteur), Ting I. N. G. Li, Andrew J. Senesi, Abrin L. Schmucker et Bridget C. Pals, tous du nord-ouest.
