Lorsque vous rapportez une boîte du magasin de meubles, vous n'attendez pas les vis, lattes, et d'autres pièces pour converger comme par magie dans un lit ou une table. Pourtant, cet auto-assemblage se produit tous les jours dans la nature. Rien ne dit aux atomes de se lier ensemble; rien ne dit à l'ADN comment se former. Les matériaux vivants contiennent les instructions mêmes et la capacité de devenir un tout plus grand.

"L'auto-assemblage est le processus universel par lequel des structures très complexes sont assemblées dans la nature. Elles sont dynamiques, ils sont multifonctionnels, ils sont adaptables, " a déclaré Nick Kotov, un chercheur de l'Université du Michigan.

Déverrouiller l'auto-assemblage pourrait nous permettre de créer des matériaux qui n'existent pas naturellement et que nous ne pouvons actuellement pas créer nous-mêmes.

En utilisant l'auto-assemblage, les scientifiques pourraient créer des matériaux personnalisés à la fois polyvalents comme les systèmes biologiques et résistants comme les systèmes industriels. Ces matériaux pourraient être utilisés dans de meilleurs purificateurs d'eau, des cellules solaires plus efficaces, des catalyseurs plus rapides qui améliorent la fabrication, et l'électronique de nouvelle génération. L'utilisation de l'auto-assemblage dans la fabrication pourrait également conduire à des processus moins chers et plus efficaces.

"Nous voulons fabriquer des matériaux synthétiques qui rivalisent avec ce que nous voyons dans la nature, " a déclaré Ron Zuckermann, chercheur à la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie (DOE). "Les systèmes biologiques sont très sensibles et fragiles. Nous voulons fabriquer des matériaux robustes de qualité industrielle qui peuvent faire les mêmes choses [ils font]."

Mais les scientifiques ne peuvent pas créer des choses qui combinent le meilleur des caractéristiques biologiques et synthétiques à partir de n'importe quelle substance. Les nanoparticules sont probablement la clé. Lorsque les scientifiques assemblent ces minuscules particules en feuilles ou en tubes, le produit final ne mesure souvent qu'un atome de haut. En raison de leur taille, les nanoparticules agissent différemment de grandes quantités du même matériau. Par exemple, un morceau d'or ne diffuse pas la lumière comme le fait un diamant. Mais les nanoparticules d'or diffusent très bien la lumière, ce qui les rend utiles dans les microscopes électroniques. Contrairement aux matériaux ordinaires, les scientifiques peuvent contrôler les caractéristiques des nanoparticules en modifiant leur taille et leur forme.

À l'heure actuelle, l'industrie ne peut utiliser qu'un seul type de nanoparticule à la fois. C'est ce que vous voyez dans les crèmes solaires et les tissus qui utilisent des nanoparticules. Cependant, pour construire des matériaux sur mesure, les scientifiques doivent faire interagir plusieurs types de nanoparticules. Actuellement, la seule façon de le faire est de construire ces matériaux particule par particule. C'est un processus qui prend beaucoup de temps.

Pour étendre les applications potentielles des nanoparticules, le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie soutient la recherche pour exploiter l'auto-assemblage. Parce que les nanoparticules de métaux ou de semi-conducteurs ne s'auto-assemblent pas de la même manière que les systèmes vivants, les scientifiques examinent leurs différences et leurs similitudes.

Construction spontanée

Certains matériaux, les scientifiques ont trouvé, s'auto-assemblera si vous les placez ensemble dans une solution liquide. Ils s'emboîtent comme par magie. Mais c'est aux chercheurs de déterminer quels matériaux et solutions mélanger pour donner les formes et les caractéristiques dont ils ont besoin.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) du DOE ont découvert une famille de polymères synthétiques qui forment des nanotubes creux lorsque vous les mettez dans l'eau. Les nanotubes pourraient améliorer les catalyseurs, transporter d'autres nanotechnologies, et déplacer les antibiotiques à travers le corps. Cette découverte pourrait également conduire à la fabrication de nanostructures qui remplissent le grand nombre de fonctions que font les protéines, mais sont plus robustes et plus durables que les protéines.

« Je suis vraiment enthousiasmé par la possibilité de fabriquer des matériaux imitant les protéines, " a déclaré Zuckermann.

Ces nanotubes présentent deux avantages majeurs par rapport aux précédents. Les scientifiques pourraient les manipuler pour avoir une longueur et un diamètre constants. Ceci est essentiel pour construire des structures plus grandes avec des applications plus pratiques. Les tubes creux sont également formés d'une manière qui les rend moins susceptibles de s'effondrer en un cylindre solide.

Un effort similaire à l'Université du Michigan a trouvé une forme de sulfure de cadmium, qui sert à fabriquer des panneaux solaires, qui s'auto-assemble en coquilles dans une eau modérément basique. Les systèmes vivants utilisent des nanocoquilles pour des fonctions essentielles, comme le contrôle de l'emplacement des réactions chimiques. Les coques synthétiques, qui font environ la moitié du diamètre d'un virus, pourrait être utilisé en thérapie génique. Les chercheurs de l'Université du Michigan ont modélisé les coquilles dans l'installation utilisateur du Centre national de calcul scientifique de la recherche sur l'énergie du DOE avant de les créer en laboratoire.

ADN et petits diamants :les plus petits guides imaginables

Malheureusement, l'auto-assemblage spontané dépend fortement des caractéristiques des particules. Utiliser différentes particules, et l'auto-assemblage formera des structures différentes ou ne se produira pas du tout.

Mais les chercheurs étudient une approche différente qui fonctionnera quel que soit le type de particule qu'ils utilisent. Avec cette méthode, les scientifiques attachent un matériau qui veut s'auto-assembler à un autre nanomatériau qui ne le fait pas. Les matériaux qui veulent s'auto-assembler agissent comme des bandes Velcro utilisées pour accrocher des tableaux. Normalement, les images et le mur ne colleraient pas ensemble. Mais en appliquant une bande Velcro sur chacun et en poussant dessus, ils se verrouillent en place. Avec cette méthode, les scientifiques pourraient connecter n'importe quel type de nanoparticules et le faire sous la forme qu'ils souhaitent.

L'ADN est l'une des formes les plus prometteuses de ce nano-velcro. Des scientifiques du Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven National Laboratory, étudient cette méthode.

"En utilisant l'ADN, nous pouvons indiquer aux particules comment se connecter les unes aux autres, " a déclaré Oleg Gang, chercheur au CFN et professeur à l'Université Columbia. Lorsque les scientifiques attachent de l'ADN synthétique aux nanoparticules, les brins d'ADN s'apparient de la même manière qu'ils le font dans tout être vivant, amener les nanoparticules.

"C'est un outil 'intelligent', " dit Fang Lu, un chercheur du CFN. "Nous pouvons concevoir quel type de liaison est attrayant, quel genre de lien est répugnant."

Dans une étude de 2015, les scientifiques ont utilisé l'ADN pour connecter différents types de formes de nanoparticules. Alors que les sphères ne s'attacheraient normalement qu'aux sphères, l'utilisation de l'ADN leur a permis de se connecter également avec des blocs.

Après ça, les chercheurs sont passés à la création d'images 3D à partir de l'ADN. Cette étude a pris ce qu'ils avaient appris sur la connexion de différentes formes ensemble au niveau suivant. D'abord, les scientifiques ont placé une nanoparticule avec quelques ADN simple brin suspendus dans chaque coin d'un cadre d'ADN synthétique. Ces brins reliaient les particules, rassembler les particules et les cadres pour former des objets tridimensionnels. En connectant des cadres qui avaient une variété de formes - cubes, octaèdres, et tétraèdres – les scientifiques pourraient former différentes architectures 3D. Cette méthode pourrait conduire à des matériaux que l'industrie pourrait utiliser pour manipuler la lumière, accélérer les réactions chimiques, et influencer les processus biologiques.

Maintenant, les scientifiques utilisent ces cadres pour construire des nanoformes 3D personnalisées. Jusque là, ils ont su concevoir des zigzags, chiffres de bâton, et d'autres conceptions. En collant une nanoparticule d'or au milieu de chaque monture, ils ont même créé une structure cristalline similaire à celle observée dans les diamants. Les scientifiques espèrent qu'en modifiant les configurations et en ajoutant de nouveaux types de particules, ils peuvent extraire encore plus de caractéristiques.

Au laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE, les chercheurs utilisent eux-mêmes de minuscules diamants. Ils ont découvert comment auto-assembler des "diamonoïdes" dans les plus petits nanofils jamais fabriqués qui sont encore suffisamment stables pour répondre aux besoins des scientifiques. Contrairement aux nanofils plus petits, les scientifiques peuvent stocker les diamonoïdes dans l'air sans qu'ils se décomposent ou les disperser dans des solvants sans modifier leur structure.

"Ce qui est vraiment choquant, c'est que nous avons obtenu cette belle section transversale de trois atomes de nanofils, " a déclaré Nick Melosh, un chercheur du SLAC. En comparaison, les plus petits nanofils de carbone ont une largeur de 10 atomes.

Pour fabriquer ces nanofils, les scientifiques ont attaché un atome de soufre aux particules de diamant à l'échelle moléculaire. Quand ils ont placé cette combinaison dans une solution avec des ions de cuivre, le soufre s'est accroché au cuivre. Cela a créé le bloc de construction de base des nanofils - une cage diamonoïde portant des atomes de cuivre et de soufre. Les diamonoïdes dans les blocs séparés se sont ensuite rapprochés spontanément, tirant les autres nanoparticules le long. Cela a formé le nanofil.

Le prochain grand défi consiste à utiliser l'auto-assemblage pour concevoir des matériaux capables de résoudre des problèmes spécifiques, comme capturer le bon type de lumière pour les cellules solaires, ou filtrer les microbes de l'eau.

"[Je veux] développer des méthodes pour créer des systèmes que vous avez dans votre imagination. Et c'est très, très inspirant, " dit Gang.