Le contrôle de l'auto-assemblage de nanoparticules en super-réseaux est une approche importante pour construire des matériaux fonctionnels. L'équipe de Brookhaven a utilisé des blocs de construction de taille nanométrique - des cubes ou des octaèdres - décorés d'attaches d'ADN pour coordonner l'assemblage de nanoparticules sphériques recouvertes de brins d'ADN complémentaires. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Amener le jeu d'enfant avec des blocs de construction à un tout nouveau niveau - les scientifiques à l'échelle nanométrique du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont construit des réseaux de nanoparticules multi-composants « super-réseaux » 3D où l'agencement des particules est déterminé par la forme du minuscules blocs de construction. La méthode utilise des molécules de liaison constituées de brins complémentaires d'ADN pour surmonter la tendance des blocs à se regrouper de manière à séparer les composants de forme différente. Les résultats, Publié dans Communication Nature , sont une étape importante sur la voie de la conception de matériaux composites prévisibles pour des applications en catalyse, autres technologies énergétiques, et médecine.
« Si nous voulons profiter des propriétés prometteuses des nanoparticules, nous devons être en mesure de les incorporer de manière fiable dans des matériaux composites à plus grande échelle pour des applications réelles, " a expliqué le physicien de Brookhaven Oleg Gang, qui a dirigé la recherche au Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science.
"Notre travail décrit une nouvelle façon de fabriquer des matériaux composites structurés en utilisant des liaisons directionnelles de particules façonnées pour un assemblage prévisible, " dit Fang Lu, l'auteur principal de la publication.
La recherche s'appuie sur l'expérience de l'équipe qui relie les nanoparticules entre elles à l'aide de brins d'ADN synthétique. Comme la molécule qui porte le code génétique des êtres vivants, ces brins synthétiques ont des bases complémentaires connues par les lettres de code génétique G, C, T, et A, qui se lient les uns aux autres d'une seule manière (G à C; T à A). Gang a déjà utilisé des attaches d'ADN complémentaires attachées à des nanoparticules pour guider l'assemblage d'une gamme de réseaux et de structures. Les nouveaux travaux explorent la forme des particules comme moyen de contrôler la directionnalité de ces interactions pour obtenir un ordre à longue distance dans des assemblages et des clusters à grande échelle.
Les attaches d'ADN conduisent les blocs cubiques et les sphères à s'auto-assembler de sorte qu'une sphère se lie à chaque face d'un cube, résultant en une régularité, arrangement répété. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Particules sphériques, Gang a expliqué, emballer normalement pour minimiser le volume libre. Liens d'ADN utilisant des brins complémentaires pour attirer les particules, ou des brins non complémentaires pour maintenir les particules séparées - peuvent modifier cet emballage dans une certaine mesure pour obtenir des arrangements différents. Par exemple, les scientifiques ont expérimenté le placement de brins de liaison complémentaires à des emplacements stratégiques sur les sphères pour amener les particules à s'aligner et à se lier d'une manière particulière. Mais il n'est pas si facile de fabriquer des nanosphères avec des brins de liaison placés avec précision.
« Nous avons exploré une autre idée :l'introduction de « blocs » façonnés à l'échelle nanométrique décorés d'attaches d'ADN sur chaque facette pour contrôler la liaison directionnelle des sphères avec des attaches d'ADN complémentaires, " dit Gang.
Lorsque les scientifiques ont mélangé des nanocubes recouverts d'attaches d'ADN sur les six côtés avec des nanosphères d'environ la même taille, qui avait été enduite d'attaches complémentaires, ces deux particules de forme différente ne se sont pas séparées comme on aurait pu s'y attendre sur la base de leur comportement de tassement normal. Au lieu, la "colle" d'ADN empêchait la séparation en fournissant une force d'attraction entre les facettes plates des blocs et les attaches sur les sphères, ainsi qu'une force de répulsion entre les attaches non appariées sur des objets de même forme.
« L'ADN nous permet d'imposer des règles :les sphères attirent les cubes (mutuellement); les sphères n'attirent pas les sphères; et les cubes n'attirent pas les cubes, " a déclaré Gang. " Cela brise la tendance à l'emballage conventionnel et permet au système de s'auto-assembler en une alternance de cubes et de sphères, où chaque cube est entouré de six sphères (une pour une face) et chaque sphère est entourée de six cubes. avec une sphère se liant à chacune des huit facettes triangulaires des blocs.
Les nanoblocs et les sphères sont recouverts d'attaches d'ADN complémentaires afin que les deux formes dissemblables s'attirent et se lient l'une à l'autre. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
La méthode a nécessité un certain traitement thermique pour obtenir l'ordre à longue distance le plus uniforme. Et des expériences avec différents types d'attaches d'ADN ont montré qu'il était essentiel d'avoir des brins d'ADN flexibles pour s'adapter à l'appariement de particules de formes différentes.
"Les coquilles d'ADN flexibles" ramollissent "les particules, which allows them to fit into arrangements where the shapes do not match geometrically, " Lu said. But excessive softness results in unnecessary particle freedom, which can ruin a perfect lattice, she added. Finding the ideal flexibility for the tethers was an essential part of the work.
The scientists used transmission and scanning electron microscopy at the CFN and also conducted x-ray scattering experiments at the National Synchrotron Light Source, another DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab, to reveal the structure and take images of assembled clusters and lattices at various length scales. They also explained the experimental results with models based on the estimation of nanoscale interactions between the tiny building blocks.
"Finalement, this work shows that large-scale binary lattices can be formed in a predictable manner using this approach, " Gang said. "Given that our approach does not depend on the particular particle's material and the large variety of particle shapes available-many more than in a child's building block play set-we have the potential to create many diverse types of new nanomaterials."
