(Phys.org)—Pour la première fois, les chercheurs ont simulé des particules qui peuvent s'auto-assembler spontanément en réseaux qui forment des arrangements géométriques appelés pavages d'Archimède. La clé pour réaliser ces structures est une stratégie appelée conception positive minimale, dans lequel à la fois la géométrie et la sélectivité chimique des particules sont prises en compte. Le procédé a des applications dans l'auto-assemblage moléculaire, qui pourrait un jour être utilisé pour construire une variété de technologies à l'échelle nanométrique.

Stephen Whitelam, chercheur à la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory, a publié un article sur la stratégie de conception positive minimale pour les carrelages d'Archimède auto-assemblés dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Précédemment, les chercheurs ont réussi à auto-assembler des particules en pavages platoniciens, qui sont des arrangements plus simples constitués de tableaux périodiques réguliers d'une forme unique, comme des carrés, Triangles, ou hexagones. Pour faire ça, les chercheurs utilisent une stratégie appelée conception positive, dans lequel la structure souhaitée est promue en fonction de la géométrie des particules. Lorsque les particules sont combinées et refroidies, ils s'auto-assemblent spontanément en pavages platoniciens en raison d'une variété de produits chimiques sous-jacents, physique, et interactions thermodynamiques.

Particules auto-assemblées dans l'arrangement le plus simple suivant, carrelages d'Archimède, est beaucoup plus difficile. Les carrelages d'Archimède sont composés de deux ou trois formes différentes, et un seul type de sommet (donc si vous avez zoomé sur les points d'intersection, ils se ressembleraient tous, ayant les mêmes angles dans le même ordre). Il existe huit types de pavages d'Archimède, et la nouvelle stratégie de conception peut construire les huit d'entre eux.

L'aspect nouveau de la nouvelle stratégie de conception est l'élément "minimal", qui fait référence à la sélectivité chimique. Whitelam a découvert que si vous identifiez toutes les interactions interparticulaires impliquées dans un arrangement souhaité, puis sélectionnez des particules avec uniquement ces interactions et pas d'autres, puis, sous un protocole de refroidissement simple, les particules s'auto-assembleront dans la structure souhaitée. L'aspect "positif" de la stratégie est qu'elle fonctionne en favorisant la structure souhaitée, et ne nécessite pas de supprimer toutes les nombreuses structures indésirables possibles.

Les simulations ont également montré que, si la sélectivité chimique n'est pas prise en compte, alors les particules ne s'auto-assemblent pas dans les pavages d'Archimède, montrant que la sélectivité chimique est essentielle à la réalisation de ces structures.

« Les résultats montrent que vous avez besoin d'une « spécificité chimique » des interactions pour auto-assembler certains éléments simples, structures régulières, " Whitelam a dit Phys.org . "Je voulais écrire un article sur la quantité d'"informations" dont vous avez besoin pour "programmer" une particule afin de lui permettre de s'auto-assembler, en présence de nombreuses copies de lui-même, dans une structure souhaitée.

"La façon la plus simple de carreler un avion est de le recouvrir de triangles, ou avec des carrés, ou avec des hexagones. Ces motifs sont appelés pavages platoniques ou réguliers d'Archimède. D'autres auteurs ont montré que des particules possédant certaines propriétés géométriques - avec des taches collantes à certains angles - peuvent spontanément former des réseaux équivalents à ces pavages, ce qui signifie que si vous tracez des lignes entre les centres des particules, alors l'image que vous obtenez ressemble à un carrelage.

"La prochaine façon la plus simple de couvrir une surface consiste à combiner deux ou trois polygones réguliers, et ces motifs sont appelés pavages archimédiens semi-réguliers (souvent juste des pavages archimédiens). D'autres chercheurs ont utilisé des simulations pour montrer que les particules avec la géométrie correcte ne peuvent probablement pas s'auto-assembler dans de telles structures. Mon travail confirme ce fait, mais montre que ce qui fonctionne, c'est si les interactions des particules sont chimiquement spécifiques, ce qui signifie que les patchs collants ne collent qu'à certains autres patchs collants. De cette façon, les particules évitent de faire beaucoup d'erreurs de liaison, et parviennent à trouver leur chemin vers la bonne structure."

De façon intéressante, la sélectivité chimique est également utilisée pour contrôler les interactions interparticulaires entre les particules biologiques, comme les protéines et l'ADN.

« Un aspect de ce résultat est déjà largement connu :les chercheurs qui utilisent la nanotechnologie de l'ADN utilisent couramment des interactions chimiquement spécifiques médiées par l'ADN pour créer des structures aussi complexes ou plus complexes que les pavages d'Archimède, " Whitelam said. "What surprised me is 1) that you need this strategy even for the Archimedean tilings (among the most simple regular structures), and 2) that all you need is this strategy (that is, chemical specificity is both 'necessary and sufficient'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

"Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

À l'avenir, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

"My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.'

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