Les rayons X aident les scientifiques à utiliser l’ADN du designer pour découvrir de nouvelles formes de matériaux


Les rayons X aident les scientifiques à découvrir de nouvelles formes de matériaux en utilisant l'ADN des concepteurs

La ligne de 12-ID à l’APS où des X ont été effectués cette recherche. Crédit photo : Xiaobing Zuo, Laboratoire national d’Argonne

Une équipe de recherche dirigée par la Northwestern University et l’Université du Michigan a mis au point une nouvelle façon d’assembler des particules en cristaux colloïdaux, un type de matériau précieux utilisé dans les capteurs chimiques et biologiques et les dispositifs de détection de lumière. En utilisant cette méthode, l’équipe a montré pour la première fois comment ces cristaux peuvent être conçus d’une manière introuvable dans la nature.

L’équipe a utilisé l’Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE) au Laboratoire national d’Argonne du DOE, pour confirmer leur découverte cruciale.

« Un puissant faisceau de rayons X permet les mesures à haute résolution dont vous avez besoin pour étudier ce type d’arrangement. L’APS est une installation idéale pour mener cette recherche », a noté Byeongdu Lee du Laboratoire national d’Argonne.

« Nous avons découvert quelque chose de fondamental sur le système de fabrication de nouveaux  », a déclaré Chad A. Mirkin, professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. « Cette stratégie de rupture de symétrie réécrit les règles de conception et de synthèse des matériaux. »

La recherche a été dirigée par Mirkin et Sharon C. Glotzer, titulaire de la chaire Anthony C. Lembke en génie chimique à l’Université du Michigan, et publiée dans la revue matériaux naturels.

Les cristaux colloïdaux sont de très petites particules dans lesquelles d’autres particules plus petites (appelées nanoparticules) sont ordonnées ou disposées symétriquement. Ils peuvent être conçus pour des applications allant des capteurs de lumière et des lasers aux communications et aux ordinateurs. Pour cette recherche, les scientifiques ont tenté de briser la symétrie naturelle de la nature, qui tend à organiser les minuscules particules de la manière la plus symétrique.

« Imaginez empiler des ballons de basket dans une boîte », a déclaré Byeongdu Lee d’Argonne, chef d’équipe chez APS et auteur du journal. « Vous auriez une certaine méthode pour tirer le meilleur parti de l’espace. C’est comme ça que fait la nature. »

Cependant, Lee dit que si les balles sont dégonflées d’une manière ou d’une autre, vous pouvez les empiler selon un schéma différent. L’équipe de recherche, a-t-il dit, essaie de faire la même chose avec les nanomatériaux, en leur apprenant à s’auto-assembler en de nouveaux modèles.

Pour cette recherche, les scientifiques ont utilisé l’ADN, la molécule dans les cellules qui transporte l’information génétique. Les scientifiques en ont suffisamment appris sur l’ADN pour pouvoir le programmer afin qu’il suive des instructions spécifiques. Cette équipe de recherche a utilisé l’ADN pour apprendre aux nanoparticules métalliques à s’assembler dans de configurations. Les chercheurs ont attaché des molécules d’ADN aux surfaces de nanoparticules de différentes tailles et ont découvert que les plus petites particules se déplaçaient autour des plus grosses dans les espaces entre elles, tout en maintenant les particules ensemble dans un nouveau matériau.

« L’utilisation de nanoparticules grandes et petites, où les plus petites se déplacent comme des électrons dans un cristal d’atomes métalliques, est une toute nouvelle approche pour construire des structures cristallines colloïdales complexes », a déclaré Glotzer.

En ajustant cet ADN, les scientifiques ont modifié les paramètres des petites particules d’équivalent électronique, modifiant ainsi les cristaux résultants.

« Nous avons étudié des structures plus complexes où le contrôle du nombre de voisins autour de chaque particule a conduit à une rupture supplémentaire de la symétrie », a déclaré Glotzer. « Nos simulations informatiques ont aidé à déchiffrer les motifs complexes et à les mécanismes qui ont permis aux nanoparticules de les créer. »

Cette approche a ouvert la voie à trois nouvelles phases cristallines, jamais synthétisées auparavant, dont l’une n’a pas d’équivalent naturel connu.

« Les assemblages de particules colloïdales ont toujours une analogie avec le système atomique naturel », a déclaré Lee. « Cette fois, la structure que nous avons trouvée est complètement nouvelle. La façon dont elle s’assemble est quelque chose que nous n’avons jamais vu de métaux, d’alliages métalliques ou de tout autre matériau s’auto-assembler naturellement. »

« Nous ne connaissons pas encore les propriétés physiques du matériau », a déclaré Lee. « Maintenant, nous laissons le soin aux scientifiques des matériaux de créer et d’étudier ce matériau. »

L’équipe a utilisé les rayons X ultra-brillants de l’APS pour confirmer la nouvelle structure de leurs cristaux. Ils ont utilisé les instruments de diffusion de rayons X à petit angle haute résolution sur les lignes de lumière 5-ID et 12-ID pour créer des images précises du réseau de particules qu’ils ont produites.

« Un puissant faisceau de rayons X permet les mesures à haute résolution dont vous avez besoin pour étudier ce type d’assemblage », a déclaré Lee. « L’APS est une installation idéale pour mener cette recherche. »

L’APS subit actuellement une mise à niveau massive qui, selon Lee, permettra aux scientifiques de déterminer des structures encore plus complexes à l’avenir. Les instruments du 12-ID seront également mis à niveau pour tirer pleinement parti des rayons X plus brillants qui deviendront disponibles.

Ces cristaux colloïdaux à faible symétrie ont des propriétés optiques inaccessibles avec d’autres structures cristallines et peuvent être utilisés dans une variété de technologies. Leurs propriétés catalytiques sont également différentes. Mais les nouvelles structures révélées ici ne sont que le début des possibilités maintenant que les conditions de la rupture de symétrie sont comprises.

« Nous sommes au milieu d’une ère sans précédent dans la synthèse et la découverte de matériaux », a déclaré Mirkin. « Il s’agit d’un autre pas en avant dans la sortie de nouveaux matériaux inexplorés du carnet de croquis et dans des applications qui peuvent tirer parti de leurs propriétés rares et inhabituelles. »


Une étude montre comment la symétrie peut être brisée dans les cristaux colloïdaux


Plus d’information:
Shunzhi Wang et al, L’origine de Valence dans les cristaux colloïdaux par des équivalents d’électrons, matériaux naturels (2022). DOI : 10.1038/s41563-021-01170-5

Fourni par Laboratoire National d’Argonne

citation: Les rayons X aident les scientifiques à découvrir de nouvelles formes de matériaux à l’aide de l’ADN de concepteur (31 mars 2022) Extrait le 31 mars 2022 de https://phys.org/news/2022-03-x-rays-scientists-dna-uncover-material .html

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