Pour les équipes de recherche, la fabrication de cristaux photoniques artificiels pour les longueurs d'onde de la lumière visible constitue un défi et une motivation majeurs depuis qu'ils ont été prédits par les théoriciens il y a plus de 35 ans.

"Les cristaux photoniques ont une gamme polyvalente d'applications. Ils ont été utilisés pour développer des cellules solaires plus efficaces, des guides d'ondes optiques innovants et des matériaux pour la communication quantique. Cependant, leur fabrication a été très laborieuse", explique le Dr Gregor Posnjak.

Le physicien est postdoctorant dans le groupe de recherche du professeur Tim Liedl du LMU. Grâce à la nanotechnologie de l'ADN, l'équipe a développé une nouvelle approche pour la fabrication de cristaux photoniques. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Science .

Structure en diamant à partir de brins d'ADN

Contrairement aux techniques lithographiques, l’équipe LMU utilise une méthode appelée origami ADN pour concevoir et synthétiser des éléments de base, qui s’auto-assemblent ensuite en une structure de réseau spécifique. "On sait depuis longtemps que le réseau du diamant a théoriquement une géométrie optimale pour les cristaux photoniques. Dans les diamants, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone.

"Notre défi consistait à agrandir la structure d'un cristal de diamant d'un facteur 500, afin que les espaces entre les éléments constitutifs correspondent à la longueur d'onde de la lumière", explique Liedl. "Nous avons augmenté la périodicité du réseau à 170 nanomètres en remplaçant les atomes individuels par des éléments constitutifs plus grands, dans notre cas, grâce à l'origami ADN", explique Posnjak.

La technique parfaite de repliement des molécules

Ce qui ressemble à de la magie est en réalité une spécialité du groupe Liedl, l'une des principales équipes de recherche au monde en matière d'origami et d'auto-assemblage ADN. À cette fin, les scientifiques utilisent un long brin d'ADN en forme d'anneau (constitué d'environ 8 000 bases) et un ensemble de 200 courtes agrafes d'ADN.

"Ces derniers contrôlent le pliage du brin d'ADN le plus long dans pratiquement n'importe quelle forme, un peu comme les maîtres de l'origami, qui plient des morceaux de papier en objets complexes. En tant que telles, les pinces sont un moyen de déterminer comment les objets d'origami d'ADN se combinent pour former le réseau de diamant souhaité", explique le chercheur postdoctoral du LMU.

Les éléments constitutifs de l'ADN de l'origami forment des cristaux d'environ 10 micromètres, qui sont déposés sur un substrat puis transmis à un groupe de recherche coopérant de l'Institut Walter Schottky de l'Université technique de Munich (TUM) :l'équipe dirigée par le professeur Ian Sharp est capable de déposer des couches atomiques individuelles de dioxyde de titane sur toutes les surfaces des cristaux d'origami d'ADN.

"Le réseau de diamant origami ADN sert d'échafaudage au dioxyde de titane qui, en raison de son indice de réfraction élevé, détermine les propriétés photoniques du réseau. Après le revêtement, notre cristal photonique ne laisse pas passer la lumière UV d'une longueur d'onde d'environ 300 nanomètres. traverser, mais plutôt le refléter", explique Posnjak. La longueur d'onde de la lumière réfléchie peut être contrôlée via l'épaisseur de la couche de dioxyde de titane.

L'origami ADN pourrait booster la photonique

Pour les cristaux photoniques fonctionnant dans le domaine infrarouge, les techniques lithographiques classiques conviennent mais sont laborieuses et coûteuses. Dans la gamme de longueurs d'onde de la lumière visible et UV, les méthodes lithographiques n'ont pas encore donné de résultats. "Par conséquent, le processus de fabrication relativement simple utilisant l'auto-assemblage d'origami ADN dans une solution aqueuse offre une alternative puissante pour produire des structures dans la taille souhaitée de manière rentable et en plus grandes quantités", explique Liedl.

Il est convaincu que cette structure unique avec ses grands pores, adressables chimiquement, stimulera de nouvelles recherches, par exemple dans le domaine de la récupération et du stockage d'énergie.

Dans un autre article du même numéro de Science , une collaboration dirigée par le professeur Petr Šulc de l'Arizona State University et TUM présente un cadre théorique pour la conception de divers réseaux cristallins à partir de colloïdes inégaux, et démontre expérimentalement la méthode en utilisant des éléments constitutifs d'ADN origami pour former un réseau de pyrochlore, qui pourrait également potentiellement être utilisé pour les applications photoniques.