La puissance de découverte de la puce génétique arrive à la nanotechnologie. Une équipe de recherche de la Northwestern University développe un outil pour tester rapidement des millions et peut-être même des milliards ou plus de nanoparticules différentes à un moment donné pour se concentrer sur la meilleure particule pour une utilisation spécifique.

Lorsque les matériaux sont miniaturisés, leurs propriétés—optiques, de construction, électrique, mécanique et chimique—changement, offrant de nouvelles possibilités. Mais déterminer quelle taille et composition de nanoparticules sont les meilleures pour une application donnée, comme les catalyseurs, étiquettes de biodiagnostic, produits pharmaceutiques et appareils électroniques, est une tâche ardue.

« En tant que scientifiques, nous venons tout juste de commencer à étudier quels matériaux peuvent être fabriqués à l'échelle nanométrique, " a déclaré Chad A. Mirkin de Northwestern, un leader mondial de la recherche en nanotechnologie et de ses applications, qui a dirigé l'étude. "Dépister un million de nanoparticules potentiellement utiles, par exemple, pourrait prendre plusieurs vies. Une fois optimisé, notre outil permettra aux chercheurs de choisir le gagnant beaucoup plus rapidement que les méthodes conventionnelles. Nous avons l'outil de découverte ultime."

En utilisant une technique du nord-ouest qui dépose des matériaux sur une surface, Mirkin et son équipe ont découvert comment créer des bibliothèques combinatoires de nanoparticules de manière très contrôlée. (Une bibliothèque combinatoire est une collection de structures systématiquement variées codées à des sites spécifiques sur une surface.) Leur étude sera publiée le 24 juin par la revue Science .

Les bibliothèques de nanoparticules ressemblent beaucoup à une puce génétique, Mirkin dit, où des milliers de points d'ADN différents sont utilisés pour identifier la présence d'une maladie ou d'une toxine. Des milliers de réactions peuvent être faites simultanément, donner des résultats en quelques heures seulement. De la même manière, Mirkin et les bibliothèques de son équipe permettront aux scientifiques de fabriquer et de cribler rapidement des millions à des milliards de nanoparticules de différentes compositions et tailles pour les propriétés physiques et chimiques souhaitables.

« La capacité de créer des bibliothèques de nanoparticules ouvrira un nouveau domaine de la nanocombinatoire, où la taille - à une échelle qui compte - et la composition deviennent des paramètres réglables, " a déclaré Mirkin. " C'est une approche puissante de la science de la découverte. "

Mirkin est professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences et directeur fondateur de l'Institut international de nanotechnologie de Northwestern.

"Je compare notre approche de nanomotif combinatoire à la fourniture d'une large palette de couleurs vives à un artiste qui travaillait auparavant avec une poignée de noir terne et pâle, pastels blancs et gris, " a déclaré le co-auteur Vinayak P. Dravid, le professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering.

À l'aide de cinq éléments métalliques :l'or, argent, cobalt, cuivre et nickel—Mirkin et son équipe ont développé une gamme de structures uniques en faisant varier chaque combinaison élémentaire. Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont montré que le diamètre des particules peut également varier délibérément sur une échelle de longueur de 1 à 100 nanomètres.

Certaines des compositions peuvent être trouvées dans la nature, mais plus de la moitié d'entre eux n'ont jamais existé auparavant sur Terre. Et lorsqu'elles sont photographiées à l'aide de techniques d'imagerie puissantes, les nanoparticules apparaissent comme une rangée d'œufs de Pâques colorés, chaque élément de composition contribuant à la palette.

Pour construire les bibliothèques combinatoires, Mirkin et son équipe ont utilisé la nanolithographie Dip-Pen, une technique développée à Northwestern en 1999, déposer sur une surface des "points" individuels de polymère, " chacun chargé de différents sels métalliques d'intérêt. Les chercheurs ont ensuite chauffé les points de polymère, réduire les sels en atomes métalliques et former une seule nanoparticule. La taille du point de polymère peut être modifiée pour changer la taille de la nanoparticule finale.

Ce contrôle à la fois de la taille et de la composition des nanoparticules est très important, Mirkin a souligné. Après avoir fait preuve de maîtrise, les chercheurs ont utilisé l'outil pour générer systématiquement une bibliothèque de 31 nanostructures utilisant les cinq métaux différents.

Pour aider à analyser les compositions élémentaires complexes et la taille/forme des nanoparticules jusqu'à l'échelle sub-nanométrique, l'équipe s'est tournée vers Dravid, Ami et collaborateur de longue date de Mirkin. Dravide, directeur fondateur du NUANCE Center de Northwestern, a apporté son expertise et les microscopes électroniques avancés de NUANCE pour cartographier spatialement les trajectoires de composition des nanoparticules combinatoires.

Maintenant, les scientifiques peuvent commencer à étudier ces nanoparticules ainsi qu'à construire d'autres bibliothèques combinatoires utiles composées de milliards de structures qui diffèrent subtilement en taille et en composition. Ces structures pourraient devenir les prochains matériaux qui alimenteront les piles à combustible, capter efficacement l'énergie solaire et la convertir en combustibles utiles, et catalysent des réactions qui prennent des matières premières de faible valeur de l'industrie pétrolière et les transforment en produits de grande valeur utiles dans les industries chimiques et pharmaceutiques.