Leur théorie et leur modèle informatique, publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , permet une économie de conception maximale ou la plus grande structure possible en utilisant le moins de pièces programmables et auto-assemblables.

L'un des Saint Graal de la science des matériaux est d'imiter la capacité de la nature à former des matériaux robustes et complexes à auto-assembler qui peuvent ensuite créer des structures capables d'accomplir un large éventail de fonctions. Pensez aux nanostructures cristallines qui se forment sur les ailes d'un papillon et dont la forme et la taille précises déterminent exactement les longueurs d'onde de la lumière à réfléchir, donnant ainsi à différentes espèces leurs marques distinctives.

"Nous avons été inspirés par l'auto-assemblage des virus", explique Greg Grason, professeur de science des polymères à l'UMass Amherst et auteur principal de l'article.

"Bien que certains virus puissent présenter des risques du point de vue de la santé, ils ont une incroyable conception à fermeture automatique. Beaucoup ont une coque sphérique rigide et hautement symétrique, et cette coque est construite avec le moins d'arrangements protéiques possible. La coque est aussi juste la bonne taille – plus gros, et il ne serait pas capable d'infecter son hôte; plus petit, et le virus ne serait pas assez puissant. Nous voulons être capables de créer des matériaux qui peuvent s'auto-assembler de manière économique dans le virus. forme parfaite, tout comme les virus, sauf que nous voulons concevoir des types de géométries complètement différents. "

Grason et son équipe, comprenant des collègues des universités Brandeis et Syracuse, ainsi que les co-auteurs principaux Carlos M. Duque et Douglas M. Hall, qui ont tous deux réalisé cette recherche dans le cadre de leurs études supérieures à l'UMass Amherst, ne sont pas les premiers à s'inspirer des virus.

Dans les années 1960, deux biologistes structurels nommés Donald Caspar et Aaron Klug, lauréat du prix Nobel, inspirés par les célèbres dômes géodésiques de Buckminster Fuller, ont réalisé que la structure de ses dômes décrivait également des enveloppes virales. Ils ont ensuite dérivé un ensemble de principes de conception, appelés principes de symétrie Caspar-Klug, qui décrivent comment construire une structure renfermant le plus grand volume possible avec le moins de blocs de construction.

"Inspirés par la beauté et l'élégance de la construction Caspar-Klug pour les coques virales icosaédriques, nous avons développé une feuille de route pour trouver des règles de conception économiques qui peuvent nous aider à concevoir un large éventail de nanostructures très utiles", explique Duque.

Cependant, le principe de symétrie de Caspar-Klug ne décrit que des structures avec des courbures positives, ou des formes, comme un dôme, qui se courbent vers l'intérieur dans toutes les directions.

"Nous nous sommes demandé ce qui se passerait si vous inversiez la courbure de manière à ce que les courbes soient dans des directions opposées les unes aux autres, comme une chips Pringles", explique Grason.

"Quels types de géométries à fermeture automatique pourraient se former avec une courbure négative, et pourraient-elles préserver l'économie de l'assemblage Caspar-Klug ?"

Les structures présentant ce type de courbure négative ont une structure spongieuse constituée de trous et de tubes interconnectés et sont en fait étroitement liées aux nanostructures photoniques formées dans les écailles des ailes de papillon.

Pour répondre à leurs questions, Grason et ses co-auteurs ont conçu un modèle informatique qui a montré que les structures présentant une courbure négative triplement périodique pouvaient effectivement préserver l'économie d'assemblage observée par Caspar et Klug dans les virus sphériques.

"Nous sommes en mesure d'étendre l'économie des formes à courbure positive à un ensemble beaucoup plus complexe de structures qui peuvent être réalisées en assemblant des blocs de construction "programmables" qui peuvent être fabriqués à l'aide des approches de la nanotechnologie de l'ADN ou de la conception de protéines de novo. ", dit Grason.

"Notre travail modélise le processus d'assemblage", explique Hall.

"Tout d'abord, quelques éléments de base s'assemblent pour former une zone incurvée négativement, comme une chips avec des bords rugueux. À mesure que la zone grandit, la surface se referme sur elle-même et forme des canaux qui s'étendent dans les trois dimensions. L'ensemble très régulier de Les canaux sont ce qui permet de créer de nouveaux matériaux potentiels avec des couleurs brillantes ou la capacité d'atténuer les sons."