La simulation montre les décaèdres regroupés dans une structure quasi-cristalline à gauche, avec un diagramme de la structure à droite. Crédit : Groupe Glotzer, Université du Michigan.
Cette avancée ouvre la voie à la conception et à la construction de structures plus complexes.
Les nano-ingénieurs ont créé un quasi-cristal (une structure matérielle scientifiquement intrigante et technologiquement prometteuse) à partir de nanoparticules en utilisant ADNla molécule qui code la vie.
L’équipe, dirigée par des chercheurs de l’Université Northwestern, de l’Université du Michigan et du Centre de recherche coopérative sur les biomatériaux de San Sebastian, en Espagne, rapporte les résultats dans Matériaux naturels.
La nature unique des quasi-cristaux
Contrairement aux cristaux ordinaires, qui sont définis par une structure répétitive, les motifs des quasi-cristaux ne se répètent pas. Les quasi-cristaux construits à partir d’atomes peuvent avoir des propriétés exceptionnelles : par exemple, absorber différemment la chaleur et la lumière, présenter des propriétés électroniques inhabituelles telles que conduire l’électricité sans résistance, ou leurs surfaces sont très dures ou très glissantes.
Ingénieurs étudiant à l’échelle nanométrique l’assemblage considère souvent les nanoparticules comme une sorte de « concepteur » atome», qui offre un nouveau niveau de contrôle sur les matériaux synthétiques. L’un des défis consiste à diriger les particules pour qu’elles s’assemblent en structures souhaitées présentant des qualités utiles, et en construisant ce premier quasi-cristal assemblé par ADN, l’équipe a franchi une nouvelle frontière dans la conception de nanomatériaux.
Assemblage d’ADN pionnier dans les nanomatériaux
« L’existence de quasi-cristaux est une énigme depuis des décennies et leur découverte a été récompensée à juste titre par un prix Nobel », a déclaré Chad Mirkin, professeur de chimie George B. Rathmann à l’Université de Washington. Université du nord-ouest et auteur co-correspondant 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. »
Un outil mathématique appelé transformation de Fourier rapide cartographie la structure de manière à révéler la symétrie 12 fois du quasi-cristal. La transformée de Fourier rapide de l’image du quasi-cristal au microscope électronique est représentée à gauche, tandis que la transformée du cristal simulé est représentée à droite. Crédit : Mirkin Research Group, Northwestern University et Glotzer Group, Université du Michigan
ADN : l’outil de conception de nanoparticules
Le groupe de Mirkin est connu pour utiliser l’ADN comme colle de conception pour concevoir la formation de cristaux colloïdaux constitués de nanoparticules, et le groupe de Luis Liz-Marzán, professeur Ikerbasque au Centre espagnol de recherche coopérative en biomatériaux, pourrait produire des nanoparticules qui pourraient se former. quasi-cristaux dans les bonnes conditions.
L’équipe s’est concentrée sur les formes bipyramidales, c’est-à-dire essentiellement deux pyramides collées ensemble à leur base. Le groupe de Liz-Marzán a essayé différents nombres de côtés ainsi qu’écraser et étirer les formes. Wenjie Zhou et Haixin Lin, doctorants en chimie à Northwestern au moment des travaux, ont utilisé des brins d’ADN codés pour se reconnaître afin de programmer les particules pour qu’elles s’assemblent en un quasi-cristal.
Indépendamment, le groupe de Sharon Glotzer, titulaire de la chaire Anthony C. Lembke de génie chimique à l’UM, avait simulé des bipyramides avec différents nombres de côtés. Yein Lim et Sangmin Lee, doctorants en génie chimique à l’UM, ont découvert que les décaèdres (bipyramides pentagonales à 10 côtés) formeraient un quasi-cristal dans certaines conditions et avec les bonnes dimensions relatives.
En 2009, l’équipe de Glotzer avait prédit l’apparition des premiers quasi-cristaux de nanoparticules en couches, provenant non pas de bipyramides mais de tétraèdres, des pyramides simples avec quatre côtés triangulaires comme un dé D4. Parce que cinq tétraèdres peuvent presque former un type de décaèdre, elle dit que le décaèdre était un choix judicieux pour fabriquer un quasi-cristal.
« Dans notre simulation originale de quasi-cristaux, les tétraèdres étaient disposés en décaèdres avec de très petits espaces entre les tétraèdres. Ici, ces lacunes seraient comblées par l’ADN, il était donc logique que les décaèdres puissent également produire des quasi-cristaux », a déclaré Glotzer, co-auteur correspondant de l’étude.
Synergie théorique et expérimentale
Grâce à une combinaison de théorie et d’expérience, les trois groupes de recherche ont transformé les particules décaèdres en un quasi-cristal, ce qui a été confirmé par l’imagerie au microscope électronique à Northwestern et par la diffusion des rayons X réalisée au Laboratoire national d’Argonne.
« Grâce à l’ingénierie réussie des quasi-cristaux colloïdaux, nous avons franchi une étape importante dans le domaine des nanosciences », a déclaré Liz-Marzán, co-auteure correspondante de l’étude. « Notre travail met non seulement en lumière la conception et la création de structures nanométriques complexes, mais ouvre également un monde de possibilités pour les matériaux avancés et les applications nanotechnologiques innovantes. »
La structure ressemble à un ensemble de rosaces en cercles concentriques, les formes à 10 côtés créant une symétrie 12 fois en couches 2D qui s’empilent périodiquement. Cette structure empilée, également observée avec les quasi-cristaux constitués de tétraèdres, est appelée quasi-cristal axial. Mais contrairement à la plupart des quasi-cristaux axiaux, le motif de carrelage des couches du nouveau quasi-cristal ne se répète pas de manière identique d’une couche à l’autre. Au lieu de cela, un pourcentage important de tuiles sont différentes, de manière aléatoire, et ce petit désordre ajoute de la stabilité.
La recherche est financée par le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force et le Département américain de l’énergie, le ministère espagnol de la Science et de l’Innovation, ainsi que par le programme d’unités d’excellence Maria de Maeztu de l’Agence espagnole de recherche. Le projet s’est également appuyé sur les ressources de l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment, de NUANCE de la Northwestern University et des ressources informatiques de l’UM.
