Des chercheurs de la Northwestern University ont mis au point une technique unique en son genre pour créer de toutes nouvelles classes de matériaux et d'appareils optiques qui pourraient conduire à des dispositifs de flexion et de dissimulation de la lumière, une nouvelle qui ravira les oreilles de Spock de Star Trek.

En utilisant l'ADN comme outil clé, l'équipe interdisciplinaire a pris des nanoparticules d'or de différentes tailles et formes et les a disposées en deux et trois dimensions pour former des super-réseaux optiquement actifs. Des structures avec des configurations spécifiques pourraient être programmées par le choix du type de particule et à la fois du motif et de la séquence d'ADN pour présenter presque n'importe quelle couleur à travers le spectre visible, rapportent les scientifiques.

"L'architecture est primordiale dans la conception de nouveaux matériaux, et nous avons maintenant une nouvelle façon de contrôler avec précision les architectures de particules sur de grandes surfaces, " a déclaré Chad A. Mirkin, le professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. "Les chimistes et les physiciens pourront construire un nombre presque infini de nouvelles structures avec toutes sortes de propriétés intéressantes. Ces structures ne peuvent être fabriquées par aucune technique connue."

La technique combine une ancienne méthode de fabrication - lithographie descendante, la même méthode utilisée pour fabriquer des puces informatiques - avec une nouvelle - auto-assemblage programmable piloté par l'ADN. L'équipe de Northwestern est la première à combiner les deux pour obtenir un contrôle individuel des particules en trois dimensions.

L'étude a été publiée en ligne par la revue Science aujourd'hui (18 janvier). Mirkin et Vinayak P. Dravid et Koray Aydin, tous deux professeurs à la McCormick School of Engineering de Northwestern, sont des auteurs co-correspondants.

Les scientifiques pourront utiliser cette technique puissante et flexible pour construire des métamatériaux - des matériaux introuvables dans la nature - pour une gamme d'applications, notamment des capteurs à usage médical et environnemental.

Les chercheurs ont utilisé une combinaison de simulations numériques et de techniques de spectroscopie optique pour identifier des super-réseaux de nanoparticules particuliers qui absorbent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière visible. Les nanoparticules modifiées par l'ADN, l'or dans ce cas, sont positionnées sur une matrice pré-structurée constituée d'ADN complémentaire. Des empilements de structures peuvent être réalisés en introduisant une deuxième puis une troisième particule modifiée par l'ADN avec un ADN complémentaire aux couches suivantes.

En plus d'être des architectures insolites, ces matériaux sont sensibles aux stimuli :les brins d'ADN qui les maintiennent ensemble changent de longueur lorsqu'ils sont exposés à de nouveaux environnements, telles que des solutions d'éthanol dont la concentration varie. Le changement de la longueur de l'ADN, les chercheurs ont trouvé, a entraîné un changement de couleur du noir au rouge au vert, fournissant une accordabilité extrême des propriétés optiques.

"Le réglage des propriétés optiques des métamatériaux est un défi important, et notre étude atteint l'une des plages d'accordabilité les plus élevées atteintes à ce jour dans les métamatériaux optiques, " dit Aydin, professeur adjoint de génie électrique et d'informatique à McCormick.

"Notre nouvelle plateforme de métamatériaux, rendue possible par un contrôle précis et extrême de la forme des nanoparticules d'or, la taille et l'espacement - sont très prometteurs pour les métamatériaux et métasurfaces optiques de nouvelle génération, " a déclaré Aydin.

L'étude décrit une nouvelle façon d'organiser les nanoparticules en deux et trois dimensions. Les chercheurs ont utilisé des méthodes de lithographie pour percer de minuscules trous (une seule nanoparticule de large) dans une résine polymère, créer des « zones d'atterrissage » pour les composants nanoparticulaires modifiés avec des brins d'ADN. Les patins d'atterrissage sont indispensables, Mirkin a dit, car ils maintiennent les structures qui sont cultivées verticalement.

Les aires d'atterrissage nanoscopiques sont modifiées avec une séquence d'ADN, et les nanoparticules d'or sont modifiées avec de l'ADN complémentaire. En alternant des nanoparticules avec de l'ADN complémentaire, les chercheurs ont construit des empilements de nanoparticules avec un contrôle positionnel énorme et sur une grande surface. Les particules peuvent être de différentes tailles et formes (sphères, cubes et disques, par exemple).

"Cette approche peut être utilisée pour construire des réseaux périodiques à partir de particules optiquement actives, comme l'or, l'argent et tout autre matériau pouvant être modifié avec de l'ADN, avec une précision nanométrique extraordinaire, " dit Mirkin, directeur de l'Institut international de nanotechnologie de Northwestern.

Mirkin est également professeur de médecine à la Northwestern University Feinberg School of Medicine et professeur de génie chimique et biologique, génie biomédical et science et génie des matériaux à la McCormick School.

Le succès de l'assemblage programmable d'ADN rapporté a nécessité une expertise avec des matériaux hybrides (doux-durs) et des capacités de nanomotif et de lithographie exquises pour atteindre la résolution spatiale requise, définition et fidélité sur de grandes surfaces de substrat. L'équipe du projet s'est tournée vers Dravid, un collaborateur de longue date de Mirkin qui se spécialise dans le nanopatterning, microscopie avancée et caractérisation des mous, nanostructures dures et hybrides.

Dravid a apporté son expertise et a aidé à concevoir la stratégie de nanopatterning et de lithographie et la caractérisation associée des nouvelles structures exotiques. Il est professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux à McCormick et directeur fondateur du centre NUANCE, qui abrite la structuration avancée, lithographie et caractérisation utilisées dans les structures programmées par ADN.