Un schéma de l'assemblage programmable de nanostructures ordonnées en 3D à partir de voxels matériels pouvant porter des nanoparticules inorganiques ou organiques avec différentes fonctions, tels que les émetteurs et les absorbeurs de lumière, protéines, et des enzymes à activité chimique. Les voxels matériels sont fabriqués à partir d'ADN et de nano-objets de différentes natures, et leur assemblage est guidé par la conception du voxel et les interactions ADN-programmables. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques ont développé une plate-forme pour assembler des composants de matériaux nanométriques, ou "nano-objets, " de types très différents - inorganiques ou organiques - en structures 3-D souhaitées. Bien que l'auto-assemblage (SA) ait été utilisé avec succès pour organiser des nanomatériaux de plusieurs types, le processus a été extrêmement spécifique au système, générer différentes structures basées sur les propriétés intrinsèques des matériaux. Comme indiqué dans un article publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , leur nouvelle plate-forme de nanofabrication programmable par ADN peut être appliquée pour organiser une variété de matériaux 3-D de la même manière prescrite à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre), où optique unique, chimique, et d'autres propriétés émergent.
"L'une des principales raisons pour lesquelles la SA n'est pas une technique de choix pour les applications pratiques est que le même processus SA ne peut pas être appliqué sur une large gamme de matériaux pour créer des matrices ordonnées en 3D identiques à partir de différents nanocomposants, " a expliqué l'auteur correspondant Oleg Gang, chef du groupe Soft and Bio Nanomaterials au Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) au Brookhaven National Laboratory - et professeur de génie chimique et de physique appliquée et de science des matériaux à Columbia Ingénierie. "Ici, nous avons découplé le processus SA des propriétés des matériaux en concevant des cadres d'ADN polyédriques rigides pouvant encapsuler divers nano-objets inorganiques ou organiques, y compris les métaux, semi-conducteurs, et même des protéines et des enzymes."
Les scientifiques ont conçu des cadres d'ADN synthétique en forme de cube, octaèdre, et tétraèdre. À l'intérieur des cadres se trouvent des « bras » d'ADN auxquels seuls les nano-objets avec la séquence d'ADN complémentaire peuvent se lier. Ces voxels matériels - l'intégration du cadre d'ADN et du nano-objet - sont les éléments constitutifs à partir desquels des structures 3D à grande échelle peuvent être fabriquées. Les trames se connectent les unes aux autres quel que soit le type de nano-objet à l'intérieur (ou non) selon les séquences complémentaires avec lesquelles elles sont codées à leurs sommets. Selon leur forme, les cadres ont un nombre différent de sommets et forment ainsi des structures entièrement différentes. Tous les nano-objets hébergés à l'intérieur des cadres adoptent cette structure de cadre spécifique.
Schéma de la plate-forme d'assemblage de réseaux 3-D à partir de nano-objets inorganiques et organiques avec des cadres d'ADN en forme de tétraèdre (rangée du haut), octaèdre (rangée du milieu), et cube (rangée du bas). La valence du cadre est déterminée par les sommets et correspond au nombre de connexions (liaisons) et à la manière dont ces connexions sont organisées les unes par rapport aux autres. Par exemple, le cadre tétraédrique a une valence de quatre. Les réseaux 3D résultants sont basés sur la forme du cadre d'ADN - les cadres tétraédriques s'assemblent en structures en diamant, octaédrique en cubique simple, et cubique en cubique centré sur le corps - quel que soit le nano-objet (le cas échéant) qui se trouve à l'intérieur du cadre. Crédit:Nature Materials
Pour démontrer leur approche d'assemblage, les scientifiques ont sélectionné des nanoparticules métalliques (or) et semi-conductrices (séléniure de cadmium) et une protéine bactérienne (streptavidine) comme nano-objets inorganiques et organiques à placer à l'intérieur des cadres d'ADN. D'abord, ils ont confirmé l'intégrité des trames d'ADN et la formation de voxels matériels par imagerie au microscope électronique au CFN Electron Microscopy Facility et à l'Institut Van Andel, qui dispose d'une suite d'instruments qui fonctionnent à des températures cryogéniques pour les échantillons biologiques. Ils ont ensuite sondé les structures en treillis 3-D des lignes de lumière cohérentes de diffusion des rayons X durs et de diffusion des matériaux complexes de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une autre installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab. Le professeur de génie chimique Columbia Engineering Bykhovsky Sanat Kumar et son groupe ont effectué une modélisation informatique révélant que les structures de réseau observées expérimentalement (basées sur les modèles de diffusion des rayons X) étaient les plus thermodynamiquement stables que les voxels matériels pouvaient former.
"Ces voxels matériels nous permettent de commencer à utiliser des idées dérivées d'atomes (et de molécules) et des cristaux qu'ils forment, et porter cette vaste connaissance et base de données vers des systèmes d'intérêt à l'échelle nanométrique, " expliqua Kumar.
Les étudiants de Gang à Columbia ont ensuite démontré comment la plate-forme d'assemblage pouvait être utilisée pour piloter l'organisation de deux types de matériaux différents avec des fonctions chimiques et optiques. Dans un cas, ils ont co-assemblé deux enzymes, créer des matrices 3D avec une densité d'emballage élevée. Bien que les enzymes soient restées chimiquement inchangées, ils ont montré une augmentation d'environ quatre fois de l'activité enzymatique. Ces « nanoréacteurs » pourraient être utilisés pour manipuler des réactions en cascade et permettre la fabrication de matériaux chimiquement actifs. Pour la démonstration du matériel optique, ils ont mélangé deux couleurs différentes de points quantiques – de minuscules nanocristaux qui sont utilisés pour fabriquer des écrans de télévision avec une saturation des couleurs et une luminosité élevées. Les images capturées avec un microscope à fluorescence ont montré que le réseau formé maintenait la pureté des couleurs en dessous de la limite de diffraction (longueur d'onde) de la lumière ; cette propriété pourrait permettre une amélioration significative de la résolution dans diverses technologies d'affichage et de communication optique.
"Nous devons repenser comment les matériaux peuvent être formés et comment ils fonctionnent, " a déclaré Gang. " La refonte matérielle peut ne pas être nécessaire; simplement emballer les matériaux existants de nouvelles manières pourrait améliorer leurs propriétés. Potentiellement, notre plate-forme pourrait être une technologie habilitante « au-delà de la fabrication par impression 3D » pour contrôler les matériaux à des échelles beaucoup plus petites et avec une plus grande variété de matériaux et des compositions conçues. En utilisant la même approche pour former des réseaux 3D à partir de nano-objets souhaités de différentes classes de matériaux, intégrant celles qui seraient autrement considérées comme incompatibles, pourrait révolutionner la nanofabrication."
