Les nanomachines pourraient assumer diverses tâches à l'avenir. Un jour, ils pourront peut-être effectuer des travaux médicaux de précision dans le corps humain ou aider à analyser des agents pathogènes et des polluants dans des laboratoires mobiles. Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart ont maintenant présenté un composant possible qui pourrait être utilisé pour déplacer et contrôler spécifiquement une telle machine. Ils ont développé un système nanoplasmonique sous la forme d'une paire de ciseaux qu'ils peuvent ouvrir à l'aide de lumière UV. Dès qu'ils irradient la nanostructure avec de la lumière visible au lieu des UV, il se referme. Les chercheurs peuvent observer les changements structurels à l'aide de particules d'or qu'ils excitent avec la lumière.

Cellules animales et végétales, ainsi que les bactéries stockent les informations sur leur structure complète et tous les processus vitaux dans leur ADN. En nanotechnologie, ce n'est pas la capacité de l'ADN à porter la constitution génétique que les scientifiques utilisent, mais sa structure élastique. Cela leur permet de construire des composants de petites machines, tels que les moteurs et autres outils.

Afin de pouvoir concevoir des nanomachines complètes, cependant, les scientifiques doivent concevoir et développer d'éventuelles sous-unités d'une machine étape par étape. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents et des collègues du Japon et des États-Unis ont maintenant développé une structure faite d'ADN qui pourrait servir de composants mobiles d'un nano-moteur ou d'une nano-boîte de vitesses. Comme les deux lames d'un ciseau, ils ont deux faisceaux d'ADN reliés par un type de charnière. Chaque faisceau ne mesure que 80 nanomètres de long et chacun se compose de 14 brins d'ADN enroulés parallèlement les uns aux autres. Initialement, le mouvement de la nanostructure en ciseaux est bloqué par une sorte de cadenas chimique en azobenzènes, qui peut être ouvert par la lumière UV.

Le cadenas chimique est ouvert par la lumière

Les composants d'azobenzène sont chacun reliés à un fil d'ADN qui dépasse de chaque faisceau. En lumière visible, les résidus d'azobenzène adoptent une structure qui permet aux brins d'ADN saillants des deux faisceaux de se relier les uns aux autres - les deux faisceaux sont très proches l'un de l'autre. Cependant, dès que les chercheurs excitent le complexe ADN-azobenzène avec de la lumière UV, l'azobenzène change de structure. Cela conduit à la séparation des deux extrémités lâches de l'ADN et à l'ouverture de la charnière en quelques minutes seulement. La lumière agit donc, en un sens, comme un lubrifiant pour le mouvement. Dès que la lumière UV est éteinte, l'azobenzène change à nouveau de structure, et les deux extrémités de l'ADN se reconnectent :le nanosystème se ferme. "Quand on veut développer une machine, il doit fonctionner non seulement dans un sens, il doit être réversible, " dit Laura Na Liu, qui dirige un groupe de recherche à l'Institut Max Planck de Stuttgart. Les faisceaux d'ADN ici ne bougent pas parce que la lumière change ou parce que l'azobenzène change de structure, mais seulement à cause du mouvement moléculaire brownien.

Les chercheurs peuvent observer en direct comment la nanostructure s'ouvre et se ferme. À cette fin, ils ont lié la nanotechnologie de l'ADN à ce qu'on appelle la nanoplasmonique :un domaine de recherche qui traite des oscillations des électrons – les plasmons – à une surface métallique. Les plasmons peuvent apparaître lorsque la lumière frappe une particule métallique, et laisser une signature caractéristique dans une lumière appropriée.

De minuscules tiges d'or fournissent des informations sur l'état d'ouverture

Le groupe de recherche dirigé par Laura Na Liu a généré ces plasmons sur deux minuscules bâtonnets d'or, chacun assis sur l'un des deux faisceaux d'ADN. En utilisant l'analogie des ciseaux, ces deux particules d'or se trouvent chacune sur le côté extérieur d'une lame de ciseaux et se croisent comme les faisceaux d'ADN à la charnière des ciseaux. L'excitation lumineuse provoque non seulement le cadenas moléculaire fixant les deux faisceaux d'ADN ensemble pour s'ouvrir, les plasmons sur les particules d'or commencent également à osciller. Lorsque la structure en forme de ciseaux s'ouvre, l'angle entre les deux tiges d'or change également, qui a un effet sur les plasmons. Les chercheurs peuvent observer ces changements par spectroscopie en irradiant le nanosystème avec une lumière aux propriétés appropriées et en mesurant son évolution. Ils peuvent ainsi même déterminer l'angle entre les faisceaux d'ADN.

"Nous avons réussi pour la première fois à contrôler un système nanoplasmonique avec la lumière. Et c'était précisément notre motivation, ", explique Laura Na Liu. La chercheuse et ses collègues avaient auparavant travaillé sur des nanosystèmes pouvant être contrôlés chimiquement. Cependant, les contrôles chimiques ne sont pas aussi propres et laissent des résidus dans le système.

Laura Na Liu a déjà une application en tête pour la conception de ciseaux à lumière contrôlée. Le système pourrait servir d'outil pour contrôler l'arrangement des nanoparticules. "Comme l'angle entre les deux faisceaux d'ADN peut être contrôlé, il offre la possibilité de changer la position relative des nanoparticules dans l'espace, " dit Laura Na Liu. De plus, les scientifiques considèrent les travaux en cours comme une étape vers une nanomachine. Le système nanoplasmonique pourrait faire partie d'une telle machine.