L’échelle nanométrique est certes petite, mais les matériaux de cette taille ont un impact significatif dans de nombreux domaines, de l’électronique à l’aérospatiale en passant par la robotique et la médecine.
Dans une collaboration interdisciplinaire des scientifiques ont exploré comment les matériaux à l’échelle nanométrique pourraient être organisés en structures macroscopiques présentant des propriétés supérieures à celles des matériaux massifs conventionnels et des systèmes naturels.
Ingénierie des cristaux colloïdaux avec l’ADN
Ils ont mis en œuvre une approche innovante pour concevoir et assembler des matériaux à l’échelle nanométrique en utilisant l’ingénierie des cristaux colloïdaux avec l’ADN, une méthodologie développée par Chad Mirkin de la Northwestern Engineering au cours des trois dernières décennies. Cette approche permet un contrôle précis de l’agencement des nanoparticules, permettant la création de structures de treillis complexes.
La capacité à concevoir des matériaux à l’échelle nanométrique avec des propriétés et des architectures spécifiques est une étape cruciale vers les « matériaux sur mesure ».
Des matériaux sur mesure pour des applications spécifiques
Cette approche permet aux chercheurs d’adapter les matériaux, dans ce cas des matériaux à haute résistance, pour des applications spécifiques, offrant un moyen plus efficace et plus performant de développer de nouveaux matériaux.
Un article décrivant le travail a été publié dans la revue Science Advances (« Ultrastrong Colloidal Crystal Metamaterials Engineered with DNA »). Horacio Espinosa et Chad Mirkin sont les co-auteurs correspondants de l’article.
Conception de particules-ADN et tests de réponse mécanique
Dans le cadre de leur approche, les chercheurs ont conçu des constructions particules-ADN favorisant des interactions spécifiques entre les nanoparticules, telles que bord à bord ou facette à facette.
Cette conception leur a permis d’assembler des treillis cubiques simples à partir de ces nanoparticules fonctionnalisées. Après l’assemblage des treillis, les structures cristallines ont été stabilisées avec des ions argent.
Les réponses mécaniques des structures ont été testées à l’aide de la compression en microscopie électronique à balayage in situ.
Résultats et propriétés exotiques des matériaux
« Ces expériences et tests ont fourni des données complètes sur les propriétés mécaniques, les mécanismes de déformation et les caractéristiques structurelles des treillis assemblés à l’échelle nanométrique », a commenté Chad Mirkin. « Les résultats sont non intuitifs et montrent comment on crée des matériaux aux propriétés exotiques en combinant les blocs de construction nanométriques appropriés et les séquences d’ADN. Nous apprenons à réutiliser le plan de la vie et à le diriger vers un défi de longue date en science des matériaux : les matériaux sur mesure. »
Potentiel de l’ingénierie des cristaux colloïdaux avec l’ADN
Les chercheurs ont découvert que, bien que les trois treillis testés aient été conçus avec des symétries cristallines identiques, les blocs de construction de particules utilisés dans chaque matériau – nanocadres, nanosolides et nanocages – produisaient des rigidités et des résistances différentes. Le treillis créé à partir de nanocadres était environ cinq fois plus résistant que ceux fabriqués à partir de nanosolides et de nanocages.
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« Nos résultats mettent en évidence le potentiel de l’ingénierie des cristaux colloïdaux avec l’ADN comme méthode polyvalente pour créer une large gamme de métamatériaux mécaniques », a déclaré Horacio Espinosa. « Ces métamatériaux à l’échelle nanométrique présentent une sensibilité réduite aux imperfections, ce qui est une caractéristique cruciale pour les applications pratiques. »
En synthèse
Les applications potentielles pourraient inclure l’environnement, car des matériaux plus légers et plus résistants dans les transports peuvent entraîner des économies de carburant et une réduction des émissions. Une autre application concerne l’innovation dans les matériaux qui alimentent bon nombre des appareils électroniques que nous utilisons quotidiennement.
« Les avancées dans ce domaine conduisent souvent à des progrès dans les produits de consommation, l’électronique, les transports, la robotique, l’aérospatiale et les dispositifs médicaux », a conclu Horacio Espinosa. « Cette recherche ouvre la voie au développement de matériaux plus résistants et plus légers qui peuvent avoir un impact sur de nombreuses technologies de tous les jours. »
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que l’ingénierie des cristaux colloïdaux avec l’ADN ?
L’ingénierie des cristaux colloïdaux avec l’ADN est une approche innovante pour concevoir et assembler des matériaux à l’échelle nanométrique. Elle permet un contrôle précis de l’agencement des nanoparticules et la création de structures de treillis complexes.
2. Quel est l’objectif de cette recherche ?
L’objectif est de créer des matériaux sur mesure avec des propriétés et des architectures spécifiques, offrant un moyen plus efficace et performant de développer de nouveaux matériaux pour diverses applications.
3. Comment les chercheurs ont-ils testé les réponses mécaniques des structures ?
Les réponses mécaniques des structures ont été testées à l’aide de la compression en microscopie électronique à balayage in situ.
4. Quelles sont les applications potentielles de ces matériaux ?
Les applications potentielles incluent l’environnement, l’électronique, les transports, la robotique, l’aérospatiale et les dispositifs médicaux.
5. Quels sont les avantages des métamatériaux à l’échelle nanométrique ?
Les métamatériaux à l’échelle nanométrique présentent une sensibilité réduite aux imperfections, ce qui est une caractéristique cruciale pour les applications pratiques.
Légende illustration principale : «Voici un schéma des réseaux imprimés en 3D et assemblés par l’ADN. Le schéma A montre la taille globale d’une structure métallique typique fabriquée par fabrication additive (à gauche, taille des blocs de construction : plus de 1 000 nanomètres) comparée aux treillis de ce travail (à droite, taille des blocs de construction : environ 100 nanomètres avec une épaisseur de nanoframe d’environ 15 nanomètres). Le schéma B montre la structure cubique simple assemblée à partir de nanoframes cubiques tronquées (taille des blocs de construction : environ 100 nanomètres). Le schéma C montre les connexions d’ADN entre les blocs de construction.» – Credit: Northwestern University
Article : « . Ultrastrong Colloidal Crystal Metamaterials Engineered with DNA . » – DOI : 10.1126/sciadv.adj8103
