Les nanoparticules liées par des brins d'ADN complémentaires forment un super-réseau bcc lorsqu'elles sont ajoutées couche par couche à un substrat recouvert d'ADN. Lorsque l'ADN substrat est d'un seul type, le super-réseau se forme à une orientation différente (rangée du haut) que si le substrat a les deux lieurs d'ADN (rangée du bas). Les diagrammes de diffusion GISAXS (à droite) et les micrographies électroniques à balayage (en médaillon) révèlent la structure du super-réseau.
(Phys.org) — Imaginer des nanostructures qui ont des propriétés optiques, électronique, ou les propriétés magnétiques est une chose. Trouver comment les fabriquer en est une autre. Une nouvelle stratégie utilise les propriétés de liaison de brins complémentaires d'ADN pour attacher les nanoparticules les unes aux autres et construit une nanostructure en couches minces grâce à une série d'étapes contrôlées. Une enquête menée par la source avancée de photons de l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis a révélé la forme précise adoptée par les structures, et indique des moyens d'exercer un contrôle encore plus grand sur l'arrangement final.
L'idée d'utiliser l'ADN pour contenir des nanoparticules a été conçue il y a plus de 15 ans par Chad Mirkin et son équipe de recherche à la Northwestern University. Ils ont attaché de courtes longueurs d'ADN simple brin avec une séquence donnée à certaines nanoparticules, et ensuite attaché l'ADN avec la séquence complémentaire à d'autres. Lorsque les particules ont été autorisées à se mélanger, les "extrémités collantes" de l'ADN reliées les unes aux autres, permettant une agrégation et une désagrégation réversibles en fonction des propriétés d'hybridation des lieurs d'ADN.
Récemment, cette "colle intelligente" d'ADN a été utilisée pour assembler des nanoparticules dans des arrangements ordonnés ressemblant à des réseaux cristallins atomiques, mais à plus grande échelle. À ce jour, des super-réseaux de nanoparticules ont été synthétisés sous plus de 100 formes cristallines, y compris certains qui n'ont jamais été observés dans la nature.
Cependant, ces super-réseaux sont typiquement polycristallins, et la taille, numéro, et l'orientation des cristaux qu'ils contiennent est généralement imprévisible. Pour être utiles comme métamatériaux, cristaux photoniques, etc, des super-réseaux simples de taille constante et d'orientation fixe sont nécessaires.
Des chercheurs de Northwestern et un collègue du Laboratoire national d'Argonne ont mis au point une variante de la procédure de liaison à l'ADN qui permet un plus grand degré de contrôle.
Les éléments de base du super-réseau étaient des nanoparticules d'or, chaque 10 nanomètres de diamètre. Ces particules ont été faites en deux variétés distinctes, un orné d'environ 60 brins d'ADN d'une certaine séquence, tandis que l'autre portait la séquence complémentaire.
Les chercheurs ont construit des super-réseaux à couche mince sur un substrat de silicium qui était également recouvert de brins d'ADN. Dans une série d'expériences, l'ADN de substrat était tout d'une séquence - appelez-le la séquence "B" - et il a d'abord été plongé dans une suspension de nanoparticules avec la séquence "A" complémentaire.
Lorsque les extrémités A et B sont connectées, les nanoparticules forment une seule couche sur le substrat. Ensuite, le processus a été répété avec une suspension des nanoparticules de type B, pour former une deuxième couche. Tout le cycle a été répété, jusqu'à quatre fois de plus, pour créer un super-réseau de nanoparticules multicouches sous la forme d'un film mince.
Les études de diffusion de rayons X aux petits angles à incidence rasante (GISAXS) menées sur la ligne de lumière 12-ID-B de la division scientifique des rayons X à la source de photons avancée d'Argonne ont révélé la symétrie et l'orientation des super-réseaux au fur et à mesure de leur formation. Même après seulement trois demi-cycles, l'équipe a découvert que les nanoparticules s'étaient arrangées en un ensemble bien défini, structure cubique centrée (bcc), qui a été maintenu au fur et à mesure de l'ajout de couches.
Dans une deuxième série d'expériences, les chercheurs ont ensemencé le substrat avec un mélange des types A et B de brin d'ADN. L'exposition successive aux deux types de nanoparticules a produit le même super-réseau bcc, mais avec une orientation verticale différente. C'est-à-dire, dans le premier cas, le substrat repose sur un plan traversant le réseau contenant un seul type de nanoparticule, tandis que dans le second cas, l'avion contenait un motif alterné des deux types (voir la figure).
Pour obtenir une croissance ordonnée du super-réseau, les chercheurs devaient mener le processus à la bonne température. Trop froid, et les nanoparticules colleraient au substrat de façon irrégulière, et reste coincé. Trop chaud, et les liens d'ADN ne tiendraient pas ensemble.
Mais dans une plage de température de quelques degrés de chaque côté d'environ 40 ° C (juste en dessous de la température à laquelle les extrémités collantes de l'ADN se détachent les unes des autres), les nanoparticules ont pu se lier et se dissocier en continu les unes des autres. Sur une durée d'environ une heure par demi-cycle, ils se sont installés dans le super-réseau bcc, l'arrangement le plus thermodynamiquement stable.
GISAXS a également révélé que bien que le substrat ait forcé les super-réseaux dans des alignements verticaux spécifiques, il a permis aux cristaux de nanoparticules de se former dans n'importe quelle orientation horizontale. Les chercheurs explorent maintenant la possibilité qu'en modelant le substrat de manière appropriée, ils peuvent contrôler l'orientation des cristaux dans les deux dimensions, augmenter la valeur pratique de la technique.
