Le cristal le plus complexe conçu et construit à partir de nanoparticules a été signalé par des chercheurs de l'Université Northwestern et confirmé par des chercheurs de l'Université du Michigan. Le travail démontre que certaines des structures les plus complexes de la nature peuvent être délibérément assemblées si les chercheurs peuvent contrôler les formes des particules et la manière dont elles se connectent.

"C'est un tour de force de démonstration de ce qui est possible lorsque l'on exploite le contenu informationnel et la chimie de l'ADN et les combine avec des nanoparticules de taille et de forme uniques, " Chad A. Mirkin de Northwestern a déclaré.

Mirkin est directeur du groupe de recherche qui a découvert de tels matériaux et un pionnier du concept de cristallisation colloïdale programmable avec des acides nucléiques. Il est professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences.

La nanotechnologie promet de réunir les matériaux de nouvelles manières, forger de nouvelles capacités par conception. En 1996, Mirkin a introduit le concept d'utilisation de nanoparticules comme atomes et d'ADN synthétique - l'empreinte de la vie - comme une liaison chimiquement programmable pour fabriquer des matériaux de conception basés sur la capacité des particules à se reconnaître à travers des séquences immobilisées sur leurs surfaces.

Une application potentielle pour les cristaux constitués de nanoparticules, tels que ceux qui viennent d'être signalés, est le contrôle de la lumière - les nanoparticules interagissent bien avec les ondes lumineuses car elles sont de taille similaire. Cela pourrait conduire à des matériaux qui peuvent changer de couleurs ou de motifs sur commande ou bloquer certaines longueurs d'onde de la lumière, tout en transmettant ou en amplifiant les autres. Nouveaux types de lentilles, des lasers et même des matériaux de camouflage de type Star Trek sont possibles.

"Nous pouvons construire ces blocs de construction complexes qui permettent aux chercheurs de fabriquer des matériaux que vous ne pouvez pas obtenir naturellement à partir d'atomes et de molécules, " a déclaré Sharon Glotzer, le professeur collégial Stuart W. Churchill de génie chimique à l'U-M. Elle a dirigé la partie U-M de l'étude.

L'étude, intitulé "Cristaux colloïdaux de Clathrate, " sera publié le 3 mars dans la revue Science . Mirkin et Glotzer sont les auteurs co-correspondants de l'article.

En chimie, les clathrates sont connus pour leurs chambres qui peuvent abriter de petites molécules. Ils ont été utilisés pour capter les polluants de l'environnement, par exemple. Les amas de nanoparticules laissent également de la place pour le fret, ce que Mirkin suggère pourrait être utile pour le stockage, la livraison et la détection de matériaux pour l'environnement, diagnostic médical et applications thérapeutiques.

Alors que les matériaux naturels présentent une gamme vertigineuse de structures cristallines, la plupart des laboratoires de nanotechnologie ont du mal à dépasser les conceptions cubiques. Les structures produites par Haixin Lin, maintenant stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Mirkin, sont de loin supérieurs.

Les nouvelles structures formées en amas de jusqu'à 42 particules, esquisser des polyèdres complexes comme le grand dodécaèdre. Ces amas se sont ensuite connectés en structures cristallines en forme de cage appelées clathrates.

Toujours, l'histoire n'est pas le cristal lui-même :c'est comment le cristal a été fabriqué et caractérisé. Le groupe de Mirkin a été le pionnier de nombreuses structures grâce à l'utilisation de brins d'ADN comme une sorte de colle intelligente, reliant les nanoparticules entre elles d'une manière particulière. La particule est à la fois un bloc de construction et un modèle qui dirige les interactions de liaison. Pendant ce temps, Le groupe de Glotzer a défendu le rôle de la forme des nanoparticules dans le guidage de l'assemblage des structures cristallines grâce à la modélisation informatique.

"Le groupe du Tchad a eu l'idée d'explorer de nouvelles phases en regardant les prédictions que nous avions faites, " dit Glotzer, le John Werner Cahn professeur émérite d'ingénierie de l'université. "Un jour, J'ai reçu un appel téléphonique du Tchad. « Nous venons de recevoir ces structures incroyables ! » il a dit. Et il m'a envoyé un texto micrographie après micrographie - ils n'arrêtaient pas d'apparaître. Il a dit que nous devions trouver un moyen d'attribuer définitivement leurs structures."

Les images au microscope électronique ont montré des clathrates qui se sont formés en grande partie grâce à la forme des nanoparticules d'or. La forme bipyramidale, comme deux pyramides aplaties collées l'une à l'autre à leur base, était naturellement enclin à s'assembler en structures clathrate. Mais pour ce faire, ils avaient besoin de brins d'ADN attachés à leurs côtés à la bonne longueur. Quand trop court, les brins d'ADN rendus désordonnés, des structures mal définies, tandis que des séquences plus longues ont permis aux clathrates de se former.

Lin a systématiquement fabriqué les bipyramides d'or avec des longueurs de bord de 250 nanomètres, la moitié de la longueur d'onde de la lumière bleue. Il les a ensuite modifiés avec des séquences d'ADN de différentes longueurs pour déterminer la construction la plus optimisée pour former les structures cristallines observées.

Quand il a vu les motifs exotiques dans les images du microscope électronique, il les a amenés à Mirkin, qui était à la fois ravi et intrigué.

"Ce sont superbes - personne n'avait fait de telles structures auparavant, " dit Mirkin, directeur de l'Institut international de nanotechnologie (IIN) de Northwestern.

Il était clair qu'ils avaient fait des phases jamais observées auparavant, mais il était essentiel d'attribuer la structure avec précision.

Après que Mirkin ait alerté Glotzer, Sangmin Lee, un doctorant en génie chimique, et Michael Engel, un stagiaire postdoctoral, tous les deux à U-M, Des bipyramides imprimées en 3D et assemblées pour explorer comment elles pourraient créer les formes des micrographies électroniques. Puis, eux et leurs collègues ont construit un modèle informatique pour confirmer que les nanoparticules liées à l'ADN formeraient effectivement des structures clathrate.

"Pour vraiment savoir avec certitude, nous avons dû faire une simulation où vous avez les formes, vous mettez l'interaction ADN et à la fois construisez la chose et voyez si elle est stable dans l'ordinateur, " a déclaré Glotzer. "Nous avons également juste jeté les particules dans une boîte pour voir si elles s'auto-assemblaient dans le même genre de conditions que celles utilisées dans le laboratoire."