Dans un article publié dans Science Le 18 janvier, les scientifiques Chad Mirkin et Sharon Glotzer et leurs équipes de l'Université Northwestern et de l'Université du Michigan, respectivement, présentent des découvertes en nanotechnologie qui pourraient avoir un impact sur la manière dont les matériaux avancés sont fabriqués.
L'article décrit un progrès significatif dans l'assemblage de nanoparticules polyédriques. Les chercheurs introduisent et démontrent la puissance d’une nouvelle stratégie de synthèse qui élargit les possibilités de conception de métamatériaux. Ce sont les matériaux inhabituels qui sous-tendent les "capes d'invisibilité" et les systèmes informatiques optiques ultra-rapides.
"Nous manipulons des matériaux à l'échelle macro dans la vie quotidienne en utilisant nos mains", a déclaré Mirkin, professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences.
"Même les enfants d'âge préscolaire peuvent facilement manipuler des blocs de construction de jouets, en les assemblant joliment pour remplir l'espace. À l'échelle nanométrique, nous ne pouvons pas utiliser nos mains pour manipuler des blocs de construction de nanoparticules en raison de la grande différence de taille entre nos mains et les nanoparticules.
"Parce que l'ADN et les nanoparticules ont des dimensions sur la même échelle de longueur et que nous pouvons coder chimiquement des particules avec de l'ADN afin qu'elles puissent être conçues pour reconnaître des particules complémentaires, et donc l'ADN devient effectivement nos mains."
Ces "mains" sont conçues pour reconnaître des particules aux formes complémentaires et les disposer pour former des structures remplissant l'espace.
Les approches conventionnelles d’ingénierie de cristaux de nanoparticules utilisant l’ADN comme élément de liaison n’ont pas encore abouti à des agencements de carrelage tridimensionnels (3D) remplis d’espace. Pour obtenir ces cristaux utiles remplis d’espace, les chercheurs du Nord-Ouest ont utilisé des ligands moléculaires plus courts et plus flexibles que ceux généralement utilisés. Plus précisément, ils ont utilisé de l'ADN modifié par de l'oligoéthylène glycol.
Les unités d'oligoéthylène glycol agissent comme un type d'amortisseur qui s'ajuste à la longueur appropriée pour garantir que les formes peuvent s'emboîter de manière presque parfaite.
Jusqu'à présent, ce nouveau matériau de construction a conduit à la synthèse de 10 nouveaux cristaux colloïdaux qu'il ne serait pas possible de préparer autrement et qui ont le potentiel d'être utilisés pour la conception et la construction de métamatériaux aux propriétés sans précédent.
Les nanoparticules sont intrinsèquement imparfaites – même celles produites dans le même lot synthétique ont des tailles et des formes légèrement différentes – et cette caractéristique peut limiter leur capacité à remplir efficacement l’espace lorsqu’elles s’assemblent. En outre, les brins d'ADN traditionnellement utilisés dans l'assemblage sont presque aussi longs, voire plus longs, que le diamètre des particules et ont ainsi masqué certaines contributions cruciales de la géométrie des particules dans la liaison. Le résultat :les particules avec des facettes bien définies se comportent comme celles qui sont moins complexes géométriquement.
L’équipe a surmonté ces deux obstacles en dissociant les contributions de l’enveloppe du ligand d’ADN et de la forme des nanoparticules. En effet, les brins d'ADN sont essentiels au processus d'assemblage :ils constituent la « colle » qui est manipulée pour maintenir les particules ensemble. Mais les chercheurs ont utilisé des brins d'ADN à la fois beaucoup plus courts et plus flexibles.
L'ADN court permet à la fois de révéler la complémentarité de forme des nanoparticules et de se refléter ensuite dans le produit assemblé. L'ADN flexible offre la marge de manœuvre nécessaire pour s'adapter à de légères imperfections dans la taille et la forme des nanoparticules polyédriques.
Cette marge de manœuvre permet aux nanoparticules aux formes imparfaites de créer des carrelages comme ceux des formes parfaites. De cette manière, des assemblages hautement ordonnés ont été formés via un alignement facette à face.
"En découplant les contributions de l'enveloppe du ligand de l'ADN et de la forme du noyau, nous avons ouvert une nouvelle frontière en nanotechnologie, permettant la création de cristaux colloïdaux hautement ordonnés avec des formes et des tailles auparavant jugées impossibles à réaliser. Cette percée élargit non seulement la portée de cristaux colloïdaux, mais présente également une boîte à outils polyvalente pour la conception de métamatériaux", a déclaré Wenjie Zhou, ancien étudiant diplômé du groupe Mirkin, l'un des principaux auteurs de l'étude.
Remarquablement, cette nouvelle stratégie permet deux stratégies de conception importantes. Premièrement, des blocs de construction polyédriques imparfaits ou ayant des formes totalement différentes peuvent être assemblés en structures hautement ordonnées remplissant l’espace. Deuxièmement, l'ADN flexible offre des degrés de liberté supplémentaires dans l'assemblage de nanoparticules polyédriques ne remplissant pas l'espace, conduisant à la création de cristaux complexes avec des symétries qui n'étaient pas réalisables auparavant avec l'ingénierie des cristaux colloïdaux avec l'ADN.
La recherche démontre la capacité de concevoir de grands cristaux colloïdaux remplissant l’espace en utilisant des considérations géométriques simples. Les assemblages présentés ne représentent qu’une fraction du vaste espace de conception de cette stratégie révolutionnaire. Pour cette raison, il sera important de coupler expérience et théorie pour parvenir à des structures cibles utiles.
"Ici, le travail expérimental a été confirmé par simulation in silico, et notre travail théorique a offert de nouvelles perspectives sur ce qui se passait ex silico", a déclaré Glotzer, directeur du département Anthony C Lembke de génie chimique.
"En combinant les deux modes de recherche et en travaillant ensemble, nos groupes ont appris bien plus sur le système que nous n'aurions jamais pu en travaillant de manière indépendante. C'est pourquoi le travail interdisciplinaire représente le meilleur absolu de la science et de l'ingénierie."
À bien des égards, ces résultats étaient inattendus. Mirkin dit:"Il est loin d'être évident que l'on puisse prendre deux systèmes très imparfaits et concevoir des éléments de liaison ADN qui produisent des cristaux remplis d'espace presque parfaits. C'est une démonstration étonnante de l'utilité du modèle naturel pour coder un résultat matériel."
Mirkin et Glotzer sont les auteurs co-correspondants de l'article intitulé "Cristaux colloïdaux à carreaux spatiaux issus d'un appariement de polyèdres complémentaires de forme forcée par l'ADN".
Plus d'informations : Wenjie Zhou et al, Cristaux colloïdaux en mosaïque spatiale issus d'un appariement de polyèdres complémentaires de forme forcée par l'ADN, Science (2024). DOI :10.1126/science.adj1021. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1021
Informations sur le journal : Sciences
Fourni par l'Université Northwestern
