Des chercheurs de l’Université Northwestern ont fait une avancée significative dans la façon dont ils produisent des super-réseaux exotiques à cadre ouvert constitués de nanoparticules métalliques creuses.
En utilisant de minuscules particules creuses appelées nanocadres métalliques et en les modifiant avec des séquences d’ADN appropriées, l’équipe a découvert qu’elle pouvait synthétiser des super-réseaux à canaux ouverts avec des pores allant de 10 à 1 000 nanomètres, des tailles difficiles d’accès jusqu’à présent. Ce nouveau contrôle de la porosité permettra aux chercheurs d’utiliser ces cristaux colloïdaux dans l’absorption et le stockage moléculaires, les séparations, la détection chimique, la catalyse et de nombreuses applications optiques.
La nouvelle étude identifie 12 super-réseaux de nanoparticules poreuses uniques avec un contrôle sur la symétrie, la géométrie et la connectivité des pores pour mettre en évidence la généralisabilité des nouvelles règles de conception comme voie de fabrication de nouveaux matériaux.
L’article a été publié aujourd’hui (26 octobre) dans la revue La nature.
Chad A. Mirkin, professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et directeur de l’Institut international de nanotechnologie, a déclaré que les nouvelles découvertes auront des impacts de grande envergure sur la nanotechnologie et au-delà.
« Nous avons dû repenser ce que nous savions sur la liaison de l’ADN avec des particules colloïdales », a déclaré Mirkin, qui a dirigé la recherche. « Avec ces nouveaux types de nanocristaux creux, les règles existantes pour l’ingénierie cristalline n’étaient pas adéquates. L’assemblage de nanoparticules piloté par ‘edge-bonding’ nous permet d’accéder à une large gamme de structures cristallines auxquelles nous ne pouvons pas accéder par le ‘face-bonding’ conventionnel », façon traditionnelle, nous pensons à la formation de la structure dans ce domaine. Ces nouvelles structures ouvrent de nouvelles opportunités tant du point de vue scientifique que technologique. »
Chef de file en nanochimie, Mirkin est également professeur de génie chimique et biologique, de génie biomédical et de science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering et professeur de médecine à la Northwestern University Feinberg School of Medicine.
L’équipe de Mirkin utilise la programmabilité de l’ADN pour synthétiser des cristaux aux propriétés inhabituelles et utiles depuis plus de deux décennies ; élargir le concept pour inclure les particules creuses est un grand pas vers une approche plus universelle pour comprendre et contrôler la formation de cristaux colloïdaux.
La nature utilise des cristaux colloïdaux pour contrôler les couleurs des organismes, y compris les ailes de papillon et la couleur changeante de la peau d’un caméléon. Les structures générées en laboratoire par Mirkin, en particulier les structures poreuses, à travers lesquelles les molécules, les matériaux et même la lumière peuvent voyager, mettront les scientifiques et les ingénieurs au défi de créer de nouveaux dispositifs à partir de celles-ci.
Vinayak Dravid, professeur Abraham Harris de science et d’ingénierie des matériaux à McCormick et auteur de l’article, a ajouté que de nombreux processus chimiques industriels reposent sur des zéolithes, une autre classe de matériaux poreux synthétiques.
« Il existe de nombreuses limitations aux zéolithes car elles sont fabriquées par des règles physiques qui limitent les options », a déclaré Dravid. « Mais lorsque l’ADN est utilisé comme liaison, il permet une plus grande diversité de structures et une plus grande variété de tailles de pores, et donc une gamme variée de propriétés. »
La capacité de contrôler la taille des pores et les connexions entre les pores ouvre une gamme d’utilisations potentielles. Par exemple, les auteurs montrent que les super-réseaux poreux présentent un comportement optique intéressant appelé indice de réfraction négatif introuvable dans la nature et uniquement accessible avec des matériaux d’ingénierie.
« Dans ce travail, nous avons découvert comment les super-réseaux à canaux ouverts peuvent être de nouveaux types de métamatériaux optiques qui permettent un indice de réfraction négatif », a déclaré Koray Aydin, également auteur de l’article et professeur agrégé de génie électrique et informatique à McCormick. . « Ces métamatériaux permettent des applications passionnantes telles que le masquage et la superlentille, l’imagerie de super petits objets avec la microscopie. »
Les chercheurs continuent de collaborer pour faire avancer les travaux.
« Nous devons appliquer ces nouvelles règles de conception aux structures métalliques nanoporeuses constituées d’autres métaux, comme l’aluminium, et nous devons étendre le processus », a déclaré Mirkin. « Ces considérations pratiques sont très importantes dans le contexte des dispositifs optiques hautes performances. Une telle avancée pourrait être véritablement transformatrice. »
Yuanwei Li et al, Super-réseaux de particules métalliques à canal ouvert, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05291-y