Des chercheurs incitent les nanoparticules à se reconfigurer

Une approche combinant un microscope électronique, un petit porte-échantillon avec des canaux microscopiques et des simulations informatiques permet désormais de voir comment les blocs de construction à l’échelle nanométrique peuvent se réorganiser en différentes structures organisées sur commande, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Université de l’Indiana.

Cette approche pourrait éventuellement permettre de créer des matériaux et des revêtements intelligents capables de basculer entre différentes propriétés optiques, mécaniques et électroniques.

« L’un de mes exemples préférés de ce phénomène dans la nature est celui des caméléons », a déclaré Tobias Dwyer, doctorant en génie chimique à l’UM et co-premier auteur de l’étude publiée dans Nature Génie chimique.

« Les caméléons changent de couleur en modifiant l’espacement entre les nanocristaux de leur peau. Le rêve est de concevoir un système dynamique et multifonctionnel qui puisse être aussi performant que certains des exemples que nous voyons en biologie. »

La technique d’imagerie permet aux chercheurs d’observer en temps réel comment les nanoparticules réagissent aux changements de leur environnement, offrant une fenêtre sans précédent sur leur comportement d’assemblage.

Dans le cadre de cette étude, l’équipe de l’Indiana a d’abord suspendu des nanoparticules, une classe de matériaux plus petits que la cellule bactérienne moyenne, dans de minuscules canaux de liquide sur une cellule à flux microfluidique. Ce type de dispositif a permis aux chercheurs d’injecter différents types de fluides dans la cellule à la volée tout en observant le mélange au microscope électronique.

Les chercheurs ont découvert que l’instrument donnait aux nanoparticules, qui sont normalement attirées les unes vers les autres, juste assez de répulsion électrostatique pour les éloigner les unes des autres et leur permettre de s’assembler dans des arrangements ordonnés.

Les nanoparticules, qui sont des cubes en or, alignent parfaitement leurs faces dans un amas bien ordonné ou forment un arrangement plus désordonné. L’arrangement final du matériau dépend des propriétés du liquide dans lequel les blocs sont suspendus, et l’injection de nouveaux liquides dans la cellule d’écoulement provoque le basculement des nanoblocs entre les deux arrangements.

Cette expérience a permis de démontrer comment orienter les nanoparticules vers les structures souhaitées. Les nanoparticules sont trop petites pour être manipulées manuellement, mais cette approche pourrait aider les ingénieurs à apprendre à reconfigurer d’autres nanoparticules en modifiant leur environnement.

« Vous auriez peut-être pu déplacer les particules dans de nouveaux liquides auparavant, mais vous n’auriez pas pu observer comment elles réagissent à leur nouvel environnement en temps réel », a déclaré Xingchen Ye, professeur associé de chimie à l’IU qui a développé la technique expérimentale et est l’auteur principal correspondant de l’étude.

« Nous pouvons utiliser cet outil pour imager de nombreux types d’objets à l’échelle nanométrique, comme des chaînes de molécules, des virus, des lipides et des particules composites. Les sociétés pharmaceutiques pourraient utiliser cette technique pour comprendre comment les virus interagissent avec les cellules dans différentes conditions, ce qui pourrait avoir un impact sur le développement de médicaments. »

Selon les chercheurs, il n’est pas nécessaire d’utiliser un microscope électronique pour activer les particules dans les matériaux morphables. Des changements de lumière et de pH pourraient également servir à cet effet.

Mais pour étendre la technique à d’autres types de nanoparticules, les chercheurs devront savoir comment modifier les liquides et les réglages du microscope pour organiser les particules. Les simulations informatiques réalisées par l’équipe de l’UM ouvrent la voie à ces travaux futurs en identifiant les forces qui ont provoqué l’interaction et l’assemblage des particules.

« Nous pensons avoir maintenant une compréhension suffisante de l’ensemble des phénomènes physiques en jeu pour prédire ce qui se passerait si nous utilisions des particules de forme ou de matériau différent », a déclaré Tim Moore, chercheur adjoint en génie chimique à l’UM et co-premier auteur de l’étude. Il a conçu les simulations informatiques en collaboration avec Dwyer et Sharon Glotzer, présidente du département de génie chimique Anthony C. Lembke à l’UM et auteure correspondante de l’étude.

« La combinaison d’expériences et de simulations est passionnante car nous disposons désormais d’une plateforme pour concevoir, prédire, fabriquer et observer en temps réel de nouveaux matériaux morphables avec nos partenaires de l’IU », a déclaré Glotzer, qui est également professeur distingué de l’université John Werner Cahn et professeur universitaire Stuart W. Churchill de génie chimique.