Les scientifiques ont développé une plate-forme pour assembler des composants matériels de taille nanométrique, ou « nano-objets », de types très différents – inorganiques ou organiques – dans des structures 3D souhaitées. Bien que l’auto-assemblage (SA) ait été utilisé avec succès pour organiser des nanomatériaux de plusieurs types, le processus est extrêmement spécifique au système, générant différentes structures basées sur les propriétés intrinsèques des matériaux. Comme indiqué dans un article publié aujourd'hui dans Nature Materials, leur nouvelle plateforme de nanofabrication programmable par ADN peut être appliquée pour organiser une variété de matériaux 3D de la même manière prescrite à l'échelle nanométrique (milliardièmes de mètre), où des techniques optiques, chimiques uniques , et d’autres propriétés émergent.
"L'une des principales raisons pour lesquelles la SA n'est pas une technique de choix pour des applications pratiques est que le même processus SA ne peut pas être appliqué à une large gamme de matériaux pour créer des tableaux ordonnés en 3D identiques à partir de différents nanocomposants", a expliqué l'auteur correspondant Oleg Gang. , chef du groupe Soft and Bio Nanomaterials au Center for Functional Nanomaterials (CFN) -- un bureau des utilisateurs scientifiques du Département américain de l'énergie (DOE) au Brookhaven National Laboratory -- et professeur de génie chimique et de sciences appliquées. Physique et science des matériaux à Columbia Engineering. "Ici, nous avons découplé le processus SA des propriétés des matériaux en concevant des cadres d'ADN polyédriques rigides qui peuvent 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 synthétique en forme de cube, d’octaèdre et de tétraèdre. À l’intérieur des 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 de la structure de l’ADN et du nano-objet – sont les éléments constitutifs à partir desquels des structures 3D à l’échelle macro peuvent être créées. Les trames se connectent les unes aux autres quel que soit le type de nano-objet qui se trouve à l'intérieur (ou non) en fonction des séquences complémentaires avec lesquelles elles sont codées à leurs sommets. Selon leur forme, les cadres ont un nombre de sommets différent et forment ainsi des structures totalement différentes. Tous les nano-objets hébergés à l’intérieur des cadres adoptent cette structure de cadre spécifique.
Pour démontrer leur approche d'assemblage, les scientifiques ont sélectionné des nanoparticules métalliques (or) et semi-conductrices (séléniure de cadmium) et une protéine bactérienne (streptavidine) comme nano-objets inorganiques et organiques à placer à l'intérieur des cadres d'ADN. Premièrement, ils ont confirmé l’intégrité des trames d’ADN et la formation de voxels matériels par imagerie avec des microscopes électroniques au centre de microscopie électronique CFN et à l’Institut Van Andel, qui dispose d’une suite d’instruments fonctionnant à des températures cryogéniques pour les échantillons biologiques. Ils ont ensuite sondé les structures de réseau 3D au niveau des lignes de lumière de diffusion cohérente de rayons X durs et de diffusion de matériaux complexes de la source de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II) - une autre installation utilisateur du bureau scientifique du DOE au laboratoire de Brookhaven. Sanat Kumar, professeur de génie chimique à Columbia Engineering Bykhovsky, et son groupe ont effectué une modélisation informatique révélant que les structures de réseau observées expérimentalement (basées sur les modèles de diffusion des rayons X) étaient les plus stables thermodynamiquement que les voxels matériels 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 bases 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 plate-forme d'assemblage pouvait être utilisée pour piloter l'organisation de deux types différents de matériaux dotés de fonctions chimiques et optiques. Dans un cas, ils ont co-assemblé deux enzymes, créant ainsi des matrices 3D avec une densité de compactage élevée. Bien que les enzymes soient restées chimiquement inchangées, leur activité enzymatique a été multipliée par quatre. Ces « nanoréacteurs » pourraient être utilisés pour manipuler des réactions en cascade et permettre la fabrication de matériaux chimiquement actifs. Pour la démonstration du matériau optique, ils ont mélangé deux couleurs différentes de points quantiques – de minuscules nanocristaux utilisés pour fabriquer des écrans de télévision avec une saturation des couleurs et une luminosité élevées. Les images capturées avec un microscope à fluorescence ont montré que le réseau formé maintenait la pureté des couleurs en dessous de 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 manière dont les matériaux peuvent être formés et comment ils fonctionnent", a déclaré Gang. « La refonte des matériaux n'est peut-être pas nécessaire ; le simple fait de conditionner les matériaux existants de nouvelles manières pourrait améliorer leurs propriétés. Potentiellement, notre plate-forme pourrait être une technologie habilitante « au-delà de la fabrication par impression 3D » pour contrôler les matériaux à des échelles beaucoup plus petites et avec une plus grande variété de matériaux et "
Matériel fourni par le DOE/Brookhaven National Laboratory. Remarque : Le contenu peut être modifié en termes de style et de longueur.
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Heure de publication : 14 janvier 2020