Une équipe de chercheurs du groupe Mirkin de l'Institut international de nanotechnologie de l'Université Northwestern, en collaboration avec l'Université du Michigan et le Centre de recherche coopérative sur les biomatériaux - CIC biomaGUNE, dévoile une nouvelle méthodologie pour concevoir des quasi-cristaux colloïdaux à l'aide de blocs de construction modifiés par l'ADN. Leur étude est publiée dans la revue Nature Materials sous le titre "Quasicristaux colloïdaux conçus avec de l'ADN".
Caractérisés par des motifs ordonnés mais non répétitifs, les quasi-cristaux ont longtemps laissé les scientifiques perplexes. "L'existence de quasi-cristaux est une énigme depuis des décennies et leur découverte a été récompensée par un prix Nobel", a déclaré Chad Mirkin, chercheur principal de l'étude.
"Bien qu'il existe maintenant plusieurs exemples connus, découverts dans la nature ou par des voies fortuites, nos recherches démystifient leur formation et, plus important encore, montrent comment nous pouvons exploiter la nature programmable de l'ADN pour concevoir et assembler délibérément des quasi-cristaux."
Le point central de l’étude était l’assemblage de nanoparticules décaédriques (NP) – des particules à 10 côtés – utilisant l’ADN comme échafaudage de guidage. Grâce à une combinaison de simulations informatiques et d'expériences méticuleuses, l'équipe a mis au jour une découverte remarquable :ces NP décaédriques peuvent être orchestrées pour former des structures quasicristallines avec d'intrigants motifs à cinq et six coordonnées, aboutissant finalement à la création d'un quasi-cristal dodécagonal (DDQC).
"Les nanoparticules décaédriques possèdent une symétrie quintuple distinctive qui défie les normes conventionnelles de carrelage périodique", a déclaré Mirkin. "En tirant parti des capacités programmables de l'ADN, nous avons pu diriger l'assemblage de ces nanoparticules en une structure quasicristalline robuste."
Les chercheurs ont fonctionnalisé des nanoparticules d’or décaédriques avec un ADN court double brin et ont mis en œuvre un processus de refroidissement contrôlé avec précision pour faciliter l’assemblage. Les super-réseaux quasicristallins résultants présentaient un ordre quasipériodique à moyenne portée, avec des analyses structurelles rigoureuses confirmant la présence d'une symétrie douze fois et d'un motif de carrelage triangulaire-carré distinctif, caractéristiques distinctives d'un DDQC.
"Il est intéressant de noter que les simulations ont découvert que, contrairement à la plupart des quasi-cristaux axiaux, le motif de carrelage des couches du quasi-cristal décaèdre ne se répète pas de manière identique d'une couche à l'autre. Au lieu de cela, un pourcentage important de carreaux est différent, de manière aléatoire. Ce caractère aléatoire produit un désordre qui aide à stabiliser le cristal", a déclaré Sharon Glotzer, co-auteure correspondante de l'étude et directrice du département de génie chimique de l'Université du Michigan.
Les implications de cette avancée sont considérables, offrant un modèle potentiel pour la synthèse contrôlée d’autres structures complexes auparavant considérées comme hors de portée. Alors que la communauté scientifique explore les perspectives illimitées de la matière programmable, cette recherche ouvre la voie à des avancées et des applications transformatrices dans divers domaines scientifiques.
"Grâce à l'ingénierie réussie de quasi-cristaux colloïdaux, nous avons franchi une étape importante dans le domaine des nanosciences. Nos travaux mettent non seulement en lumière la conception et la création de structures nanométriques complexes, mais ouvrent également un monde de possibilités pour des matériaux avancés et des applications nanotechnologiques innovantes. ", a déclaré Luis Liz-Marzán, co-auteur principal de l'étude de CIC biomaGUNE.
Plus d'informations : Quasicristaux colloïdaux conçus avec de l'ADN, Matériaux naturels (2023). DOI :10.1038/s41563-023-01706-x
Informations sur le journal : Matériaux naturels
Fourni par l'Université Northwestern
