Parfois, il est préférable de laisser les aimants faire tout le travail.

Une équipe dirigée par Itai Cohen et Paul McEuen, professeurs de physique à l'Université Cornell, utilise le pouvoir de liaison des aimants pour concevoir des systèmes d'auto-assemblage pouvant potentiellement être créés à l'échelle nanométrique.

Leur papier, "Matériaux de poignée de main magnétique en tant que plate-forme invariante d'échelle pour l'auto-assemblage programmé, " publié le 21 novembre dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Pour fabriquer de petits systèmes, tels que des machines miniatures, gels et métamatériaux - qui se construisent essentiellement eux-mêmes, les chercheurs se sont inspirés de l'origami ADN, dans lequel des brins d'ADN à l'échelle atomique peuvent être repliés en structures bidimensionnelles et tridimensionnelles par un processus appelé appariement de bases complémentaires, où des nucléotides spécifiques se lient les uns aux autres :A à T et G à C.

Plutôt que de s'appuyer sur des liaisons atomiques, l'équipe a été attirée par une autre forme d'attraction :le magnétisme. Ici, l'attraction et la répulsion entre plusieurs aimants peuvent servir comme une sorte de connexion intelligente, comme une poignée de main. Les interactions magnétiques créent également de fortes, liaisons polyvalentes qui ne sont pas facilement perturbées par les effets thermiques. Avec un assez grand réseau d'aimants dans une variété d'orientations, des milliers de configurations différentes seraient possibles.

Les chercheurs ont testé leur théorie de la conception en fabriquant des panneaux acryliques de la taille d'un centimètre, chacun contenant quatre petits aimants dans un motif carré. Cet arrangement leur a permis de faire quatre interactions magnétiques uniques.

"En contrôlant le motif des dipôles magnétiques sur chaque panneau, nous pouvons essentiellement obtenir une liaison de verrouillage et de clé, " a déclaré Cohen. " Et en collant ces panneaux sur une bande de mylar flexible dans des séquences conçues, nous avons créé nos blocs de construction de base."

Pour activer l'auto-assemblage, les brins séparés étaient éparpillés sur une table vibrante, avec les vibrations de la table empêchant les aimants de former des liaisons. Au fur et à mesure que l'amplitude des secousses diminuait, les aimants attachés dans leur ordre désigné et les brins formaient les structures cibles.

Le but ultime, dit Cohen, est de produire des versions nanométriques de ces systèmes, avec des unités auto-assemblées de seulement une centaine de nanomètres de diamètre, ou un millième de cheveu humain de diamètre.

"C'est une plate-forme assez large avec de nombreuses applications très excitantes et intéressantes, " a déclaré le chercheur postdoctoral Ran Niu, l'auteur principal du journal. « Vous pouvez concevoir de nombreuses structures. Nous pouvons construire des actionneurs optiquement actifs. Nous pouvons construire des machines fonctionnelles que nous pouvons contrôler. »

Le projet a récemment reçu une subvention de 1,1 million de dollars pour la conception de matériaux pour révolutionner et concevoir notre avenir de la National Science Foundation, qui permettra à l'équipe d'explorer davantage les incarnations à l'échelle nanométrique.

"La partie qui m'intéresse vraiment est l'idée de la manière dont la structure et l'information interagissent pour créer des machines qui changent de forme, " a déclaré le co-auteur principal McEuen, le professeur John A. Newman de sciences physiques et directeur de l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, où Cohen est un enquêteur principal. "Alors ARN, par exemple, est cette molécule incroyablement étonnante dans notre corps qui contient beaucoup d'informations, mais a aussi toutes sortes de fonctions intéressantes. Et donc c'est une sorte d'analogue de ce système, où nous pouvons commencer à comprendre comment vous mélangez l'information et la structure pour obtenir un comportement complexe."

Bien que les machines nanométriques et les systèmes d'auto-assemblage ne soient pas nouveaux, ce projet marque la première fois que les deux concepts sont combinés avec un codage magnétique.

"La vision est qu'un jour je vous donnerai simplement un disque magnétique, tu le mets dans ton disque dur, il écrit tous les codes magnétiques que vous avez conçus, puis vous le prenez et le mettez dans de l'acide pour libérer les blocs de construction, " a déclaré Cohen. "Tous les petits brins avec les motifs magnétiques que nous avons codés se rassembleraient et s'auto-assembleraient en une sorte de machine que nous pourrions contrôler à l'aide de champs magnétiques externes."

« Ce travail ouvre le champ du design, " a ajouté Cohen. " Nous offrons maintenant aux personnes qui s'intéressent aux mathématiques de la conception de matériaux à partir de zéro un ensemble d'outils incroyablement puissant. Il n'y a vraiment pas de fin à la créativité et au potentiel de conceptions intéressantes qui en découlent."

Les opportunités d'apprentissage potentielles peuvent être trouvées dans l'équipe de recherche elle-même. Les co-auteurs de l'article incluent Edward Esposito, un ancien membre du personnel universitaire qui a audité la classe d'honneurs Électricité et magnétisme de Cohen et est devenu technicien dans le laboratoire de Cohen. Il poursuit actuellement un doctorat. à l'Université de Chicago. Et le co-auteur Jakin Ng est un élève du lycée d'Ithaca qui a commencé à travailler à temps partiel dans le laboratoire de Cohen dans le cadre du programme d'éducation expérientielle pour les jeunes Learning Web. La connaissance de Ng des modèles d'origami a aidé les chercheurs à concevoir certaines de leurs structures.