Illustration schématique de la stratégie expérimentale :Des faisceaux d'ADN double brin (gris) forment des cages tétraédriques. Les brins d'ADN simple brin sur les bords (vert) et les sommets (rouge) correspondent aux brins complémentaires sur les nanoparticules d'or. Il en résulte qu'une seule particule d'or est piégée à l'intérieur de chaque cage tétraédrique, et les cages se liant ensemble par des nanoparticules d'or captives à chaque sommet. Le résultat est un réseau de nanoparticules cristallines qui imite l'ordre à longue distance du diamant cristallin. Les images sous le schéma sont (de gauche à droite) :une carte de densité cryo-EM reconstruite du tétraèdre, une particule en cage montrée dans une image MET à coloration négative, et un super-réseau en diamant montré à fort grossissement avec cryo-STEM. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
En utilisant des brins d'ADN groupés pour construire des cages tétraédriques de type Tinkertoy, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont mis au point un moyen de piéger et d'organiser les nanoparticules d'une manière qui imite la structure cristalline du diamant. La réalisation de cet arrangement complexe mais élégant, comme décrit dans un article publié le 5 février, 2016, dans Science , peut ouvrir la voie à de nouveaux matériaux exploitant les propriétés optiques et mécaniques de cette structure cristalline pour des applications telles que les transistors optiques, matériaux changeant de couleur, et des matériaux légers mais résistants.
"Nous avons résolu un défi de 25 ans dans la construction de réseaux en diamant de manière rationnelle via l'auto-assemblage, " a déclaré Oleg Gang, un physicien qui a dirigé cette recherche au Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven Lab en collaboration avec des scientifiques de l'université de Stony Brook, Université wesleyenne, et l'Université de Nagoya au Japon.
Les scientifiques ont utilisé une technique développée par Gang qui utilise de l'ADN fabriqué comme matériau de construction pour organiser les nanoparticules en arrangements spatiaux 3D. Ils ont utilisé des faisceaux d'ADN à double hélice en forme de corde pour créer des cadres tridimensionnels, et ajouté des morceaux pendants d'ADN simple brin pour lier des particules recouvertes de brins d'ADN complémentaires.
"Nous utilisons des constructions d'ADN de forme précise fabriquées comme un échafaudage et des attaches d'ADN simple brin comme une colle programmable qui fait correspondre les particules selon le mécanisme d'appariement du code génétique - A se lie avec T, G se lie avec C, " a déclaré Wenyan Liu du CFN, l'auteur principal de l'article. "Ces constructions moléculaires sont des blocs de construction pour créer des réseaux cristallins faits de nanoparticules."
La difficulté du diamant
Comme Liu l'a expliqué, « Construire des super-réseaux de diamant à partir de particules à l'échelle nanométrique et microscopique au moyen de l'auto-assemblage s'est avéré remarquablement difficile. Cela remet en question notre capacité à manipuler la matière à petite échelle. »
Les raisons de cette difficulté incluent des caractéristiques structurelles telles qu'une faible fraction de tassement, ce qui signifie que dans un réseau en diamant, contrairement à de nombreuses autres structures cristallines, les particules n'occupent qu'une petite partie du volume du réseau et une forte sensibilité à la façon dont les liaisons entre les particules sont orientées. "Tout doit s'emboîter de telle manière sans aucun décalage ou rotation des positions des particules, " Gang a dit. " Puisque la structure du diamant est très ouverte, beaucoup de choses peuvent mal tourner, menant au désordre."
"Même construire de telles structures une par une serait difficile, " Liu a ajouté, "et nous devions le faire par auto-assemblage car il n'y a aucun moyen de manipuler des milliards de nanoparticules une par une."
Le succès antérieur de Gang en utilisant l'ADN pour construire une large gamme de réseaux de nanoparticules a suggéré qu'une approche basée sur l'ADN pourrait fonctionner dans ce cas.
Les scientifiques du Brookhaven Lab Center for Functional Nanomaterials (CFN) Kevin Yager, Huolin Xin, Wenyan Liu (assis), Alex Tkachenko (dos), et Oleg Gang sont avec un échantillon de super-réseaux de nanoparticules d'or liés en utilisant de l'ADN fabriqué comme matériau de construction. L'écran de l'ordinateur montre les réseaux cristallins résultants de la FCC simple (à gauche) et du diamant (à droite) formés par les nanoparticules, comme l'a révélé la microscopie électronique à transmission à balayage cryo au CFN. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Assemblage des guides ADN
L'équipe a d'abord utilisé les faisceaux d'ADN en forme de corde pour construire des "cages" tétraédriques, un objet 3D avec quatre faces triangulaires. Ils ont ajouté des attaches d'ADN simple brin pointant vers l'intérieur des cages à l'aide de T, G, C, Une séquence qui correspondait à des attaches complémentaires attachées à des nanoparticules d'or. Lorsqu'il est mélangé en solution, les attaches complémentaires se sont jumelées pour « piéger » une nanoparticule d'or à l'intérieur de chaque cage de tétraèdre.
L'arrangement des nanoparticules d'or à l'extérieur des cages a été guidé par un ensemble différent d'attaches d'ADN attachées aux sommets des tétraèdres. Chaque ensemble de sommets est lié à des attaches d'ADN complémentaires attachées à un deuxième ensemble de nanoparticules d'or.
Une fois mélangé et recuit, les réseaux tétraédriques formaient des super-réseaux avec un ordre à longue distance où les positions des nanoparticules d'or imitent l'arrangement des atomes de carbone dans un réseau de diamant, mais à une échelle environ 100 fois plus grande.
"Bien que ce scénario d'assemblage puisse sembler désespérément sans contrainte, nous démontrons expérimentalement que notre approche conduit au réseau diamanté souhaité, rationaliser drastiquement l'assemblage d'une structure aussi complexe, " dit Gang.
La preuve en images. Les scientifiques ont utilisé la microscopie électronique à transmission cryogénique (cryo-MET) pour vérifier la formation de cadres tétraédriques en reconstruisant leur forme 3D à partir de plusieurs images. Ensuite, ils ont utilisé la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) in situ à la National Synchrotron Light Source (NSLS), et la microscopie électronique à transmission à balayage cryo (cryo-STEM) au CFN, pour imager les réseaux de nanoparticules dans le réseau entièrement construit.
"Notre approche repose sur l'auto-organisation des sommets émoussés de forme triangulaire des tétraèdres (appelés "empreintes") sur des particules sphériques isotropes. Ces empreintes triangulaires se lient à des particules sphériques recouvertes d'ADN complémentaire, ce qui permet aux particules de coordonner leur disposition dans l'espace les unes par rapport aux autres. Cependant, les empreintes peuvent s'arranger dans une variété de motifs sur une sphère. Il s'avère qu'un placement particulier est plus favorable, et cela correspond au placement 3D unique des particules qui verrouille le réseau de diamant, " dit Gang.
L'équipe a soutenu son interprétation des résultats expérimentaux en utilisant une modélisation théorique qui a fourni un aperçu des principaux facteurs à l'origine de la formation réussie de réseaux de diamants.
Implications pétillantes
"Ce travail porte à l'échelle nanométrique la complexité cristallographique observée dans les systèmes atomiques, " dit Gang, qui a noté que la méthode peut facilement être étendue pour organiser des particules de différentes compositions matérielles. Le groupe a démontré précédemment que les méthodes d'assemblage d'ADN peuvent être appliquées à l'optique, magnétique, ainsi que des nanoparticules catalytiques, et produira probablement les nouveaux matériaux optiques et mécaniques tant recherchés par les scientifiques.
"Nous avons démontré un nouveau paradigme pour créer des structures ordonnées en 3D complexes via l'auto-assemblage. Si vous pouvez construire ce réseau difficile, l'idée est que vous pouvez potentiellement construire une variété de réseaux souhaités, " il a dit.
