Le tassement en zigzag n'est observé que pour le réseau tétragonal centré sur le corps (au milieu) et le réseau cubique centré sur le corps (à droite). Dans le réseau cubique simple (à gauche), les nanocubes s'assemblent face à face. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des pyramides antiques aux bâtiments modernes, diverses structures tridimensionnelles (3-D) ont été formées en emballant ensemble des objets façonnés. A l'échelle macro, la forme des objets est fixe et dicte ainsi comment ils peuvent être disposés. Par exemple, les briques fixées au mortier conservent leur forme rectangulaire allongée. Mais à l'échelle nanométrique, la forme des objets peut être modifiée dans une certaine mesure lorsqu'ils sont revêtus de molécules organiques, tels que les polymères, tensioactifs (agents tensioactifs), et l'ADN. Ces molécules créent essentiellement une coquille « molle » autour autrement « dure, " ou rigide, nano-objets. Quand les nano-objets s'entassent, leur forme d'origine peut ne pas être entièrement conservée car la coque est flexible, une sorte de sculpture à l'échelle nanométrique.
Maintenant, une équipe de scientifiques du Brookhaven National Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de Columbia Engineering a montré que des nanoparticules en forme de cube, ou nanocubes, recouvertes de chaînes d'ADN simple brin s'assemblent en un arrangement inhabituel en "zigzag" qui n'a jamais été observé auparavant à l'échelle nanométrique ou macroscopique. Leur découverte est rapportée dans le numéro en ligne du 17 mai de Avancées scientifiques .
"Les objets à l'échelle nanométrique ont presque toujours une sorte de coque car nous y attachons intentionnellement des polymères pendant la synthèse pour empêcher l'agrégation, " a expliqué le co-auteur Oleg Gang, chef du groupe Soft and Bio Nanomaterials au Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab - et professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à l'Université de Columbia. "Dans cette étude, nous avons exploré comment changer la douceur et l'épaisseur des coquilles d'ADN (c'est-à-dire, la longueur des chaînes d'ADN) affecte l'emballage des nanocubes d'or."
Gang et les autres membres de l'équipe—Fang Lu et Kevin Yager de CFN; Yugang Zhang de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une autre installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven; et Sanat Kumar, Thi Vo, et Alex Frenkel du département de génie chimique de Columbia - ont découvert que les nanocubes entourés de fines coquilles d'ADN s'entassent d'une manière similaire à celle attendue à l'échelle macro, avec les cubes disposés en couches ordonnées orientées directement les uns au-dessus des autres. Mais cette disposition cubique simple cède la place à un type de garnissage très inhabituel lorsque l'épaisseur des coques est augmentée (c'est-à-dire, lorsque la coque devient "plus molle").
"Chaque nanocube a six faces où il peut se connecter à d'autres cubes, " expliqua Gang. "Les cubes qui ont un ADN complémentaire sont attirés les uns par les autres, mais les cubes qui ont le même ADN se repoussent. Lorsque la coquille d'ADN devient suffisamment molle (épaisse), les cubes s'arrangent en ce qui ressemble à un motif en zigzag, qui maximise l'attraction et minimise la répulsion tout en restant emballé aussi étroitement que possible.
Selon l'épaisseur de la coquille d'ADN, les nanocubes s'assemblent en un simple réseau cubique avec une orientation face à face (d1), un réseau tétragonal centré sur le corps avec une orientation en zigzag (d2), ou un réseau cubique centré sur le corps avec une orientation en zigzag (d3). Les couleurs verte et beige représentent des nanocubes à ADN non complémentaire. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Ce genre d'emballage n'a jamais été vu auparavant, et il brise la symétrie d'orientation des cubes par rapport aux vecteurs (directions des x, oui, et axes z dans le cristal) de la maille élémentaire, " a déclaré le premier auteur Fang Lu, un scientifique du groupe de Gang. "Contrairement à tous les emballages de cubes précédemment observés, l'angle entre les cubes et ces trois axes n'est pas le même :deux angles sont différents l'un de l'autre."
Une maille unitaire est la plus petite partie répétitive d'un réseau cristallin, qui est un réseau de points dans l'espace 3-D où les nanoparticules sont positionnées. Les nanoparticules mises en forme peuvent être orientées différemment les unes par rapport aux autres au sein de la cellule unitaire, comme le par leurs visages, bords, ou des coins. L'emballage en zigzag que les scientifiques ont observé dans cette étude est une sorte de compromis à l'échelle nanométrique dans lequel aucune orientation relative ne « gagne ». Au lieu, les cubes trouvent le meilleur arrangement pour coexister dans un réseau ordonné selon qu'ils ont le même ADN ou un ADN complémentaire (c'est-à-dire, se repousser ou s'attirer en conséquence).
Dans ce cas, deux types de réseaux différents peuvent se produire :cubique centré (BCC) et tétragonal centré sur le corps (BCT). Le BCC et le BCT ont tous deux des emplacements similaires de particules au centre et aux coins des cubes, mais BCC a des côtés de cellule unitaire de longueur égale alors que BCT n'en a pas.
Pour visualiser la forme des cubes et leur comportement d'emballage, les scientifiques ont utilisé une combinaison de microscopie électronique au CFN et de diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) sur l'ancienne ligne de lumière X9 de NSLS et la ligne de lumière de diffusion de matériaux complexes de NSLS-II. Les études en microscopie électronique nécessitent que les matériaux soient retirés de la solution, mais SAXS peut être mené in situ pour fournir des informations structurelles plus détaillées et précises. Dans cette étude, les données de diffusion ont été utiles pour révéler les symétries, distances entre les particules, et les orientations des particules dans les structures de nanocube 3-D. Les calculs théoriques effectués par le groupe Kumar à Columbia ont confirmé que l'arrangement en zigzag est possible et ont rationalisé pourquoi ce type d'emballage se produisait sur la base des propriétés des coquilles d'ADN.
L'équipe est maintenant impatiente de déterminer si les nano-objets à coque molle qui ne sont pas des cubes ou qui ont plus d'une forme s'assemblent également de manière inattendue.
"Une compréhension de l'interaction entre les nano-objets façonnés et les coques souples nous permettra de diriger l'organisation des objets dans des structures particulières avec l'optique souhaitée, mécanique, et autres propriétés, " dit Kumar.
