Programmation de matériaux avancés

En 1996, des scientifiques d'IBM et de la Northwestern University ont utilisé de l'ADN simple brin comme s'il s'agissait de velcro moléculaire pour programmer l'auto-assemblage de nanoparticules en structures simples. Les travaux ont aidé à lancer le domaine naissant de la nanotechnologie en suggérant la possibilité de construire de nouveaux matériaux de bas en haut. Douze ans plus tard, des chercheurs du Northwestern et du Brookhaven National Laboratory rapportent séparément dans le journal La nature qu'ils ont finalement tenu leur promesse, en utilisant des linkers d'ADN pour transformer des nanoparticules en cristaux parfaits contenant jusqu'à un million de particules.

Commande nano commandée : Des séquences d'ADN attachées à des nanoparticules d'or (image supérieure) programment l'auto-assemblage des particules en de nouveaux cristaux (image inférieure). La diffraction des rayons X confirme que les cristaux – en partie écrasés par la microscopie électronique qui a produit ces images – sont des réseaux parfaits de dizaines de milliers de particules.

Les structures cristallines sont délibérément conçues, dit Northwestern Tchad Mirkin , l'un des scientifiques des matériaux qui ont été les pionniers de la liaison ADN dans les années 1990 et co-auteur de l'un des rapports d'aujourd'hui. C'est une nouvelle façon de faire les choses.

Le physicien de l'Ohio State University, David Stroud appelle le travail très précieux. Il prédit que cette percée permettra l'assemblage de nouveaux matériaux dotés de nouvelles propriétés optiques, électroniques ou magnétiques qui n'existaient jusqu'à présent que dans l'esprit et les modèles des scientifiques des matériaux. Même maintenant, je suis surpris qu'ils puissent le faire, dit Stroud.

À ce jour, les efforts d'auto-assemblage programmé de nanoparticules en trois dimensions ont produit des amas pour la plupart désordonnés. Ces touffes peuvent avoir de la valeur ; en effet, la start-up de Mirkin, NanoSphere, a utilisé la technologie pour développer des diagnostics médicaux qui ont obtenu l'approbation de la Food and Drug Administration.

Mais les matériaux plus complexes et exotiques imaginés par Stroud et d'autres nécessitent des structures ordonnées. Le problème, dit Stroud, est que les nanoparticules sont immenses par rapport aux atomes qui forment la plupart des cristaux. En conséquence, les nanoparticules se déplacent relativement lentement, en particulier avec des brins d'ADN attachés. Lorsqu'elles sont refroidies pour permettre aux brins complémentaires d'ADN de se relier, les nanoparticules ont tendance à se figer dans un arrangement désordonné avant de pouvoir se frayer un chemin vers le réseau ordonné d'un cristal.

Les auteurs des nouveaux rapports - une équipe de Northwestern dirigée par Mirkin et le chimiste George Schatz, et l'équipe du physicien Oleg Gang à Centre des matériaux fonctionnels du Brookhaven National Laboratory , à Upton, NY–a surmonté la lenteur des particules en utilisant des brins d'ADN plus longs qui donnent aux particules plus de flexibilité pendant la formation des cristaux. Typiquement, nous pensons que la cristallinité nécessite des structures très rigides, donc on pourrait imaginer qu'il est nécessaire d'avoir une coquille d'ADN très rigide sur les particules pour avoir de bons cristaux, dit Gang. En réalité, c'est le contraire.

Bien que les détails des systèmes Northwestern et Brookhaven diffèrent, les deux remplissent leurs brins d'ADN avec des séquences qui agissent comme espaceurs et fléchisseurs, en plus des séquences complémentaires sur les extrémités de l'ADN qui lient les particules ensemble. Les groupes commencent par lier l'un des deux types d'ADN à des nanoparticules d'or. Les types d'ADN sont complémentaires les uns des autres. Ces deux pools de particules modifiées sont ensuite mélangés et refroidis. Des brins d'ADN avec un ADN complémentaire forment une double hélice, liant ensemble leurs nanoparticules respectives, tandis que des brins d'ADN identiques agissent comme des ressorts pour repousser leurs particules respectives. Les espaceurs sur chaque brin d'ADN, quant à eux, permettent aux particules liées de se tordre et de se plier afin que chaque particule du mélange puisse lier le plus grand nombre de particules complémentaires.

Le résultat est exactement ce que la théorie prédit : un réseau cristallin dans lequel chaque particule d'un type est entourée par huit des autres marquant les coins d'un cube. Le groupe de Mirkin a en outre démontré que l'ajustement de la température et des séquences d'ADN pouvait pousser le même mélange de particules pour former une structure cristalline distincte dans laquelle chaque particule a 12 voisins.

Mirkin dit que lui et son équipe ne font que commencer. Pour moi, ce n'est vraiment que le début plutôt que la fin, dit-il. Au cours des trois dernières années, le groupe de Mirkin a démontré des méthodes pour placer différents linkers d'ADN sur différentes faces de particules non sphériques, telles que des prismes triangulaires et des particules virales. Cela, dit-il, devrait permettre la programmation de matériaux plus complexes avec des motifs répétitifs de trois composants ou plus. La possibilité vraiment intrigante ici est la possibilité de programmer la formation de quelconque structure que vous voulez, dit Mirkin.

Stroud dit que les structures déjà produites seront utiles car l'assemblage programmé par l'ADN est étendu à des particules autres que l'or. Les applications pourraient inclure les cristaux photoniques, dans lesquels la périodicité précise des particules peut régler l'ensemble des matériaux pour manipuler des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, et le photovoltaïque qui capture une gamme plus large du spectre solaire.

Les structures sont très poreuses – 10 pour cent de particules et d'ADN et 90 pour cent d'eau. Cela pourrait entraver les applications dans lesquelles l'eau est indésirable. Égoutter l'eau et les cristaux s'effondrent. Gang dit que l'on pourrait stabiliser les cristaux en remplissant le réseau avec un polymère, mais il explore également d'autres schémas de stabilisation qui préserveraient l'espace ouvert du réseau.

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