Des scientifiques ont développé une plateforme permettant d'assembler des composants matériels nanométriques, ou « nano-objets », de types très différents – inorganiques ou organiques – pour obtenir les structures 3D souhaitées. Bien que l'auto-assemblage (AS) ait été utilisé avec succès pour organiser des nanomatériaux de différentes natures, le processus est extrêmement spécifique à chaque système, générant différentes structures en fonction des propriétés intrinsèques des matériaux. Comme le rapporte un article publié aujourd'hui dans Nature Materials, leur nouvelle plateforme de nanofabrication programmable par ADN peut être appliquée à l'organisation de divers matériaux 3D selon les mêmes méthodes prescrites à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre), où émergent des propriétés optiques, chimiques et autres uniques.
« L'une des principales raisons pour lesquelles l'AS n'est pas une technique de choix pour des applications pratiques est qu'un même processus d'AS ne peut pas être appliqué à une large gamme de matériaux pour créer des réseaux ordonnés 3D identiques à partir de différents nanocomposants », explique l'auteur correspondant Oleg Gang, responsable du groupe Nanomatériaux mous et biologiques au Centre pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN) – une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Laboratoire national de Brookhaven – et professeur de génie chimique et de physique appliquée et de science des matériaux à Columbia Engineering. « Ici, nous avons découplé le processus d'AS des propriétés des matériaux en concevant des structures d'ADN polyédriques rigides capables d'encapsuler divers nano-objets inorganiques ou organiques, notamment des métaux, des semi-conducteurs, et même des protéines et des enzymes. »
Les scientifiques ont conçu des cadres d'ADN synthétiques en forme de cube, d'octaèdre et de tétraèdre. À l'intérieur de ces cadres se trouvent des « bras » d'ADN auxquels seuls les nano-objets possédant la séquence d'ADN complémentaire peuvent se lier. Ces voxels matériels – l'intégration du cadre d'ADN et du nano-objet – sont les éléments constitutifs de structures 3D à l'échelle macroscopique. Les cadres se connectent entre eux, quel que soit le type de nano-objet qu'ils contiennent (ou non), selon les séquences complémentaires qui les codent à leurs sommets. Selon leur forme, les cadres possèdent un nombre de sommets différent et forment ainsi des structures entièrement distinctes. Tout nano-objet hébergé à l'intérieur des cadres adopte cette structure spécifique.
Pour démontrer leur approche d'assemblage, les scientifiques ont sélectionné des nanoparticules métalliques (or) et semi-conductrices (séléniure de cadmium) ainsi qu'une protéine bactérienne (streptavidine) comme nano-objets inorganiques et organiques à placer à l'intérieur des structures d'ADN. Ils ont d'abord confirmé l'intégrité des structures d'ADN et la formation de voxels de matériau par imagerie au microscope électronique du CFN Electron Microscopy Facility et de l'Institut Van Andel, qui dispose d'une série d'instruments fonctionnant à des températures cryogéniques pour les échantillons biologiques. Ils ont ensuite sondé les structures réticulaires 3D sur les lignes de faisceau de diffusion cohérente des rayons X durs et de diffusion des matériaux complexes de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une autre installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Brookhaven Lab. Le professeur de génie chimique Bykhovsky de Columbia Engineering, Sanat Kumar, et son groupe ont réalisé une modélisation informatique révélant que les structures en réseau observées expérimentalement (basées sur les modèles de diffusion des rayons X) étaient les plus stables thermodynamiquement que les voxels de matériaux pouvaient former.
« Ces voxels matériels nous permettent de commencer à utiliser des idées dérivées des atomes (et des molécules) et des cristaux qu'ils forment, et de transférer ces vastes connaissances et cette base de données vers des systèmes d'intérêt à l'échelle nanométrique », a expliqué Kumar.
Les étudiants de Gang à Columbia ont ensuite démontré comment la plateforme d'assemblage pouvait être utilisée pour piloter l'organisation de deux types de matériaux différents dotés de fonctions chimiques et optiques. Dans un cas, ils ont co-assemblé deux enzymes, créant ainsi des réseaux 3D à forte densité de remplissage. Bien que les enzymes soient restées chimiquement inchangées, leur activité enzymatique a été multipliée par quatre environ. Ces « nanoréacteurs » pourraient être utilisés pour manipuler des réactions en cascade et permettre la fabrication de matériaux chimiquement actifs. Pour la démonstration des matériaux optiques, ils ont mélangé deux couleurs différentes de points quantiques – de minuscules nanocristaux utilisés pour fabriquer des écrans de télévision à saturation et luminosité élevées. Les images prises au microscope à fluorescence ont montré que le réseau formé maintenait une pureté des couleurs inférieure à la limite de diffraction (longueur d'onde) de la lumière ; cette propriété pourrait permettre une amélioration significative de la résolution dans diverses technologies d'affichage et de communication optique.
« Nous devons repenser la formation et le fonctionnement des matériaux », a déclaré Gang. « Il n'est peut-être pas nécessaire de repenser la conception des matériaux ; un simple conditionnement innovant des matériaux existants pourrait améliorer leurs propriétés. Notre plateforme pourrait potentiellement devenir une technologie clé, au-delà de la fabrication par impression 3D, pour contrôler les matériaux à des échelles beaucoup plus petites, avec une plus grande variété de matériaux et de compositions conçues. Utiliser la même approche pour former des réseaux 3D à partir de nano-objets de différentes classes de matériaux, en intégrant ceux qui seraient autrement considérés comme incompatibles, pourrait révolutionner la nanofabrication. »
Documents fournis par le DOE/Laboratoire national de Brookhaven. Remarque : le contenu peut être modifié pour des raisons de style et de longueur.
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Date de publication : 04/07/2022