Des chimistes de l'Université Carnegie Mellon ont démontré que les nanoparticules synthétiques peuvent atteindre le même niveau de complexité structurelle, hiérarchie et précision comme leurs homologues naturels - les biomolécules. L'étude, Publié dans Science , révèle également les mécanismes au niveau atomique derrière l'auto-assemblage des nanoparticules.

Les découvertes du laboratoire du professeur de chimie Rongchao Jin offrent aux chercheurs une fenêtre importante sur la formation des nanoparticules, et aidera à guider la construction de nanoparticules, y compris ceux qui peuvent être utilisés dans la fabrication de puces informatiques, création de nouveaux matériaux, et le développement de nouveaux médicaments et dispositifs d'administration de médicaments.

"La plupart des gens pensent que les nanoparticules sont des choses simples, car ils sont si petits. Mais quand on regarde les nanoparticules au niveau atomique, nous avons trouvé qu'ils sont pleins de merveilles, " dit Jin.

Les nanoparticules ont généralement une taille comprise entre 1 et 100 nanomètres. Les particules à l'extrémité la plus large de l'échelle nanométrique sont plus difficiles à créer avec précision. Jin est à l'avant-garde de la création de nanoparticules d'or précises depuis une décennie, d'abord établir la structure d'un nanocluster Au25 ultra-petit, puis travailler sur des nanoclusters de plus en plus grands. En 2015, son laboratoire a utilisé la cristallographie aux rayons X pour établir la structure d'une nanoparticule Au133 et a découvert qu'elle contenait un complexe, des modèles auto-organisés qui reflétaient les modèles trouvés dans la nature.

Dans l'étude actuelle, ils ont cherché à découvrir les mécanismes qui ont provoqué la formation de ces modèles. Les chercheurs, dirigé par l'étudiant diplômé Chenjie Zeng, établi la structure d'Au246, l'une des nanoparticules les plus grandes et les plus complexes créées par les scientifiques à ce jour et la plus grande nanoparticule d'or dont la structure est déterminée par cristallographie aux rayons X. Au246 s'est avéré être un candidat idéal pour déchiffrer les règles complexes de l'auto-assemblage car il contient un nombre idéal d'atomes et de ligands de surface et a à peu près la même taille et le même poids qu'une molécule de protéine.

L'analyse de la structure de Au246 a révélé que les particules avaient beaucoup plus en commun avec les biomolécules que la taille. Ils ont découvert que les ligands des nanoparticules s'auto-assemblaient en motifs rotationnels et parallèles qui sont étonnamment similaires aux motifs trouvés dans la structure secondaire des protéines. Cela pourrait indiquer que des nanoparticules de cette taille pourraient facilement interagir avec des systèmes biologiques, offrant de nouvelles voies pour la découverte de médicaments.

Les chercheurs ont également découvert que les particules Au246 se forment en suivant deux règles. D'abord, ils maximisent les interactions entre les atomes, un mécanisme qui avait été théorisé mais pas encore vu. Deuxièmement, les nanoparticules correspondent à des motifs de surface symétriques, un mécanisme qui n'avait pas été envisagé auparavant. L'appariement, qui ressemble à des pièces de puzzle qui s'assemblent, montre que les composants de la particule peuvent se reconnaître par leurs motifs et s'assembler spontanément dans la structure hautement ordonnée d'une nanoparticule.

"L'auto-assemblage est un moyen de construction important dans le nanomonde. Comprendre les règles de l'auto-assemblage est essentiel pour concevoir et construire des nanoparticules complexes avec un large éventail de fonctionnalités, " dit Zeng, l'auteur principal de l'étude.

Dans les études futures, Jin espère repousser les limites de cristallisation des nanoparticules encore plus loin vers des particules de plus en plus grosses. Il envisage également d'explorer le pouvoir électronique et catalytique des particules.