Fabriqué à partir de nanofeuillets d'or-cystéine incurvés qui se tordent tous dans la même direction, la nanoparticule hérissée a atteint la complexité la plus élevée mesurée. Il absorbe la lumière UV et émet une lumière tordue dans la partie visible du spectre. Crédit :Wenfeng Jiang, Laboratoire Kotov, Université du Michigan
Des microparticules synthétiques plus complexes que certaines des plus complexes trouvées dans la nature ont été produites par une équipe internationale dirigée par l'Université du Michigan. Ils ont également étudié comment cette complexité surgit et ont conçu un moyen de la mesurer.
Les résultats ouvrent la voie à des mélanges de fluides et de particules plus stables, comme les peintures, et de nouvelles façons de tordre la lumière, une condition préalable aux projecteurs holographiques.
Les particules sont composées de pointes torsadées disposées en boule de quelques microns, ou des millionièmes de mètre, de l'autre côté.
La biologie est un grand créateur de complexité aux nano et micro-échelles, avec des structures hérissées telles que le pollen de plante, cellules immunitaires et certains virus. Parmi les particules naturelles les plus complexes à l'échelle des nouvelles particules synthétiques figurent les coccolithophores hérissés. Quelques microns de diamètre, ce type d'algues est connu pour construire des coquilles de calcaire complexes autour d'eux. Pour mieux comprendre les règles qui régissent la croissance de telles particules, les scientifiques et les ingénieurs essaient de les fabriquer en laboratoire. Mais jusqu'à maintenant, il n'y avait aucun moyen formalisé de mesurer la complexité des résultats.
"Les nombres gouvernent le monde, et être capable de décrire rigoureusement des formes hérissées et de chiffrer la complexité nous permet d'utiliser de nouveaux outils comme l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique dans la conception de nanoparticules, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur d'ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka à l'U-M, qui a mené le projet.
Si les nanofeuillets d'or-cystéine sont conçus pour rester plats, le résultat est une conception modérément complexe que les chercheurs ont appelée une particule de « kayak ». Crédit :Wenfeng Jiang, Laboratoire Kotov, Université du Michigan
L'équipe, qui comprend des chercheurs de l'Université fédérale de São Carlos et de l'Université de São Paulo au Brésil, ainsi que le California Institute of Technology et l'Université de Pennsylvanie, ont utilisé le nouveau cadre pour démontrer que leurs particules étaient encore plus compliquées que les coccolithophores.
Le bras informatique de l'équipe, dirigé par André Farias de Moura, professeur de chimie à l'Université fédérale, ont étudié les propriétés quantiques des particules et les forces agissant sur les blocs de construction à l'échelle nanométrique.
L'un des acteurs clés dans la production de complexité peut être la chiralité - dans ce contexte, la tendance à suivre une torsion dans le sens horaire ou antihoraire. Ils ont introduit la chiralité en revêtant des feuilles de sulfure d'or à l'échelle nanométrique, qui ont servi de leurs blocs de construction de particules, avec un acide aminé appelé cystéine. La cystéine se présente sous deux formes d'image miroir, un conduisant les feuilles d'or à empiler avec une torsion dans le sens des aiguilles d'une montre, et l'autre tendant vers une torsion dans le sens antihoraire. Dans le cas de la particule la plus complexe, une boule hérissée d'épines tordues, chaque feuille d'or était recouverte de la même forme de cystéine.
L'équipe a également contrôlé d'autres interactions. En utilisant des nanoparticules plates, ils ont créé des pointes plates plutôt que rondes. Ils ont également utilisé des molécules chargées électriquement pour s'assurer que les composants à l'échelle nanométrique se transforment en particules plus grosses, plus grand que quelques centaines de nanomètres de diamètre, en raison de la répulsion.
Ces particules relativement simples apparaissent lorsque des nanofeuillets d'or plats se fixent les uns aux autres sans plusieurs restrictions contradictoires. Crédit :Wenfeng Jiang, Laboratoire Kotov, Université du Michigan
"Ces lois sont souvent en conflit les unes avec les autres, et la complexité émerge car ces communautés de nanoparticules doivent toutes les satisfaire, " dit Kotov, professeur de science et ingénierie des matériaux et de science et ingénierie macromoléculaires.
Et cette complexité peut être utile. Des pointes à l'échelle nanométrique sur des particules comme le pollen les empêchent de s'agglutiner. De la même manière, les pointes sur ces particules faites par l'équipe de recherche les aident à se disperser dans pratiquement n'importe quel liquide, une propriété utile pour stabiliser les mélanges solide/liquide tels que les peintures.
Les microparticules à pointes torsadées absorbent également la lumière UV et émettent en réponse une lumière visible torsadée ou polarisée de manière circulaire.
"La compréhension de ces émissions a été l'une des parties les plus difficiles de l'enquête, " a déclaré de Moura.
A partir des résultats des expériences et des simulations, il apparaît que l'énergie UV a été absorbée dans le cœur des particules et transformée par des interactions mécaniques quantiques, devenir une lumière visible à polarisation circulaire au moment où elle est sortie à travers les pointes incurvées.
La coquille calcaire produite par le coccolithophore Syracosphaera anthos, l'une des particules les plus complexes à cette échelle trouvées dans la nature, est plus complexe que les particules de kayak mais moins complexe que la particule synthétique hérissée. Avec l'aimable autorisation de mikrotax.org
Les chercheurs pensent que les tactiques qu'ils ont découvertes peuvent aider les scientifiques à concevoir des particules qui améliorent les biocapteurs, l'électronique et l'efficacité des réactions chimiques.
L'étude s'intitule, « Emergence de la complexité dans les particules chirales organisées hiérarchiquement, " et est publié dans la revue Science .
