Des chercheurs développent des rotors à flux nanométriques


Des chercheurs de la TU Delft développent des rotors à flux nanométriques

Représentation d’ du rotor d’ADN piloté par le flux. Crédit photo : Cees Dekker Lab / SciXel

Des de la TU Delft ont construit les plus petits moteurs à flux au monde. Inspirés par les moulins à vent néerlandais emblématiques et les protéines motrices biologiques, ils ont créé un rotor à auto-configuration et à entraînement par flux composé d’ADN qui convertit l’énergie d’un gradient électrique ou salin en un travail mécanique utile. Les résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de la robotique active à l’échelle nanométrique. L’article est maintenant publié dans physique naturelle.

Construction insaisissable

Les moteurs rotatifs ont été les centrales électriques des sociétés humaines pendant des millénaires, des moulins à vent et des roues hydrauliques aux éoliennes offshore les plus avancées d’aujourd’hui, alimentant l’avenir de l’énergie verte. « Ces moteurs rotatifs pilotés par le flux jouent également un rôle de premier plan dans les cellules biologiques. Un exemple est la FoF1-ATP synthase, qui produit les piles à combustible nécessaires au fonctionnement. dit le docteur Xin Shi, postdoc au Prof. Dr. Cees Dekker au Département de Bionanosciences à TU Delft.

« Notre moteur piloté par le flux est fait de matériel ADN. Cette structure est amarrée à un nanopore, une minuscule ouverture, dans une fine membrane. Le faisceau d’ADN, d’une épaisseur de seulement 7 nanomètres, s’auto-assemble sous un champ électrique dans une configuration de rotor, qui est ensuite mis dans un mouvement de rotation soutenu de plus de 10 tours par seconde », explique Shi, premier auteur de la publication dans physique naturelle.

Origami ADN

«Nous essayons de construire synthétiquement de tels nanomoteurs rotatifs à partir de zéro depuis sept ans. Nous utilisons une technique appelée DNA origami, en collaboration avec le laboratoire d’Hendrik Dietz de l’Université technique de Munich », ajoute Cees Dekker, qui a supervisé la recherche. Cette technique exploite les interactions spécifiques entre les paires de bases d’ADN complémentaires pour construire des nano-objets 2D et 3D. Les rotors tirent leur énergie d’un flux d’eau et d’ions, qui est provoqué par une tension appliquée ou, plus simplement encore, par des concentrations de sel différentes des deux côtés de la membrane. Cette dernière est l’une des sources d’énergie les plus abondantes en biologie, alimentant divers processus critiques tels que la synthèse de carburant cellulaire et la propulsion cellulaire.

Résoudre une énigme

Cette réalisation est une étape importante car il s’agit de la toute première réalisation expérimentale de rotors actifs pilotés par flux à l’échelle nanométrique. Cependant, lorsque les chercheurs ont observé les torsions pour la première fois, ils étaient perplexes : comment des bâtonnets d’ADN aussi simples pouvaient-ils présenter ces belles torsions soutenues ? L’énigme a été résolue lors de discussions avec le théoricien Ramin Golestanian et son équipe de l’Institut Max Planck pour la dynamique et l’auto-organisation à Göttingen. Ils ont modélisé le système et révélé l’intrigant processus d’auto-assemblage dans lequel les faisceaux se déforment spontanément en rotors chiraux, qui se couplent ensuite au flux sortant des nanopores.

De la simplicité au design rationnel

« Ce processus d’auto-assemblage montre vraiment la beauté de la simplicité », déclare Shi. Mais l’importance de ce travail ne s’arrête pas à ce simple rotor lui-même.La et le mécanisme physique qui le sous-tendent établissent une toute nouvelle direction dans la construction de nanomoteurs synthétiques : les nanoturbines à entraînement par flux, un domaine étonnamment inexploré par les scientifiques et les ingénieurs. « Vous seriez surpris du peu de connaissances et d’accomplissements que nous avons sur la construction de telles nanoturbines pilotées par le flux, en particulier compte tenu des connaissances millénaires que nous avons sur la construction de leurs homologues à grande échelle et du rôle essentiel qu’elles jouent dans la vie elle-même », déclare Shi .

Dans une étape supplémentaire (qui est dans la prépublication), le groupe a utilisé les connaissances acquises lors de la construction de ce rotor auto-assemblé pour réaliser la prochaine avancée importante : la première nanoturbine de conception rationnelle. « La façon dont la science et la technologie fonctionnent toujours, nous avons commencé avec un simple moulin à vent et sommes maintenant capables de recréer les magnifiques moulins à vent hollandais, mais cette fois avec une taille de seulement 25 nm, la taille d’une seule protéine dans votre corps », explique Shi , « et nous avons démontré leur capacité à supporter des charges. »

« Et maintenant, le sens de rotation a été déterminé par la chiralité conçue », ajoute Dekker. « Les turbines gauchers tournent dans le sens des aiguilles d’une montre; les droites tournent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. »

machine à vapeur

Ensuite, les résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement de la robotique active à l’échelle nanométrique, en plus d’une meilleure compréhension et du mimétisme des protéines motrices telles que la FoF1-ATP synthase. Shi : « Ce que nous avons démontré ici est un moteur à l’échelle nanométrique qui est réellement capable de convertir de l’énergie et de faire du travail. On pourrait faire une analogie avec la première invention de la machine à vapeur au 18ème siècle. À l’époque, qui aurait pu prédire à quel point nos sociétés ont fondamentalement changé ? Nous pourrions être dans une phase similaire maintenant avec ces nanomoteurs moléculaires. Le potentiel est illimité, mais il reste encore beaucoup à faire.


Premier nanomoteur électrique fabriqué à partir de matériau ADN


Plus d’information:
Ramin Golestanian, Rotation unidirectionnelle continue d’un rotor d’ADN auto-assemblé sur un nanopore, physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01683-z. www.nature.com/articles/s41567-022-01683-z

Fourni par l’Université de technologie de Delft

Citation: Des chercheurs créent des rotors entraînés par le flux à l’échelle nanométrique (4 août 2022), récupéré le 4 août 2022 sur https://phys.org/news/2022-08-flow-driven-rotors-nanoscale.html

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