La nanotechnologie fait ses premiers pas. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart ont développé un nanocylindre en or équipé de brins d'ADN discrets en tant que « pieds » qui peuvent marcher sur une plate-forme d'origami d'ADN. Ils sont capables de tracer les mouvements du nanowalker, qui est inférieure à la limite de résolution optique, en excitant des plasmons dans le nanocylindre d'or. Les plasmons sont des oscillations collectives de nombreux électrons. L'excitation change le rayon lumineux, permettant ainsi aux chercheurs d'observer réellement le nanowalker. Leur objectif principal est d'utiliser de tels nano-objets plasmoniques mobiles pour étudier comment de minuscules particules interagissent avec la lumière.

Les nanomachines - c'est-à-dire des dispositifs mécaniques de dimensions nanométriques - pourraient un jour effectuer des tâches spécifiques dans des domaines tels que la médecine, traitement d'informations, la chimie ou la recherche scientifique, selon les experts en nanotechnologie. Pourtant, les machines miniatures qui sont des milliers de fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain posent des défis importants aux scientifiques :premièrement, les constituants individuels consistent simplement en un petit nombre d'atomes; il est à peine possible de manipuler de tels composants, encore moins les assembler de manière précise. De plus, il faudrait alors alimenter les machines en énergie. Et ultimement, les chercheurs ne peuvent pas simplement vérifier si leur appareil fonctionne réellement. Les techniques de microscopie nécessaires à une telle observation sont complexes et nécessitent par exemple des enceintes à vide, dans lequel les appareils seraient détruits. Au Max Planck Institute for Intelligent Systems de Stuttgart, une équipe de chercheurs dont Chao Zhou et Xiaoyang Duan, dirigé par Laura Na Liu a maintenant créé un nanowalker qu'ils peuvent observer à l'aide d'un effet nanooptique.

Le corps du nanowalker se compose d'un cylindre en or de 35 nanomètres de long et de dix nanomètres de large. "La surface du cylindre est amorcée avec de nombreux brins d'ADN identiques qui servent efficacement de pieds, ", explique le chef de groupe Liu. Ces brins d'ADN dépassent du cylindre en or comme les poils d'un goupillon. Ils permettent au cylindre d'or d'entrer en contact avec la surface en dessous et de la traverser."

Le nanowalker traverse un tapis de brins d'ADN

La passerelle du cylindre d'or est également composée d'ADN - un modèle d'origami d'ADN, pour être précis. S'étendent de cet échafaudage d'ADN plié, comme les fibres d'un tapis, des rangées longitudinales de brins courts parallèles au cylindre et servant de points d'appui aux petits pieds du marcheur. Chaque rangée du tapis d'ADN comprend une combinaison différente de bases, et chaque ligne représente une station. Initialement, les pieds du marcheur se lient à deux rangs voisins, tandis que les prises des autres rangs restent bloquées.

"Le marcheur avance dans un mouvement de roulement, de gare en gare, " dit Liu. Pour rendre cela possible, les chercheurs doivent constamment ajouter de courts extraits d'ADN au fluide dans lequel se déroule l'action. Ces extraits sont conçus pour correspondre à l'ADN des lignes individuelles. D'abord, ils brisent une rangée de connexions reliant les pieds du marcheur et l'ADN de la plate-forme et bloquent les prises de cette station particulière. De l'autre côté du marcheur, ils débloquent ensuite une ligne distincte, auquel les pieds du cylindre peuvent maintenant se fixer.

"En fonction de ce qui est ajouté, le marcheur se déplace soit dans un sens, soit dans l'autre, " explique Liu. " Nous nous inspirons des moteurs moléculaires naturels :le fluide déplace le cylindre et ses pieds d'avant en arrière au moyen d'un mouvement thermique. le marcheur avance lentement. Chaque étape mesure sept nanomètres de long, ce qui est plus de cent mille fois plus petit que la seule foulée d'une fourmi des bois.

Les chercheurs utilisent la résonance plasmon pour tracer le chemin du nanocylindre

Afin de tracer le chemin de la petite machine, les chercheurs se sont appuyés sur un effet nanooptique appelé résonance plasmonique. Les plasmons sont des oscillations collectives de nombreux électrons et sont souvent présents dans les métaux, entre autres matériaux. "La lumière peut interagir avec les plasmons dans l'or, " explique Liu. " La lumière est partiellement absorbée dans le processus dans notre cas, résultant en ce qu'on appelle la résonance plasmon. » En analysant le faisceau lumineux, les chercheurs peuvent mesurer ce phénomène.

Déterminer l'emplacement exact du cylindre, cependant, requis en plaçant un deuxième, nanocylindre d'or stationnaire sur la face inférieure de la plate-forme d'origami d'ADN. D'une manière générale, ce deuxième cylindre sert de point de référence. La raison en est qu'ensemble, les deux cylindres provoquent une modification de la polarisation circulaire du faisceau lumineux :La lumière est constituée d'un champ électromagnétique oscillant. La polarisation est équivalente à la direction dans laquelle le champ oscille; en lumière polarisée circulairement, il tourne dans le sens horaire ou antihoraire. En observant les changements spectraux résultant de l'interaction avec la lumière polarisée circulaire, les chercheurs peuvent déterminer la position actuelle du marcheur.

« En utilisant cette approche, nous avons pu tracer chaque pas. C'est pourquoi le marcheur est plus qu'un simple élément mobile - il fournit également des informations sur son emplacement, " dit Liu. La technologie sophistiquée du microscope est ainsi devenue redondante pour l'observation du marcheur plasmonique, que Liu considère comme le précurseur d'une "nouvelle génération de nanomachines aux propriétés optiques personnalisées". Le chercheur souhaite maintenant utiliser cet outil pour étudier plus avant l'interaction de la lumière et de la matière à l'échelle nanométrique, ainsi que le comportement mécanique des nanoparticules. Car si le marcheur d'or est bien destiné à atteindre un jour son but et accomplir diverses tâches, il doit encore faire quelques progrès - et pas seulement sur l'origami ADN.