Créer des nanomatériaux 3D innovants par assemblage programmable par ADN

Université Columbia, New York, NY

Image de microscopie électronique d'une nanoparticule 3D assemblée utilisant des liaisons programmables par ADN. (Image : Oleg Gang)

Quand l'Empire State Building a été construit, ses 102 étages se sont élevés au-dessus de midtown une pièce à la fois, chaque élément individuel se combinant pour devenir, pendant 40 ans, le bâtiment le plus haut du monde. Uptown à Columbia, Oleg Gang et son laboratoire de génie chimique ne construisent pas d'architecture Art Déco ; leurs monuments sont des dispositifs incroyablement petits construits à partir de blocs de construction nanoscopiques qui s'auto-assemblent.

« Nous pouvons maintenant construire des organisations 3D complexes prescrites à partir de nanocomposants auto-assemblés, une sorte de version nanoscopique de l'Empire State Building », a déclaré Gang, professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à Columbia Engineering et dirigeant du groupe Soft and Bio Nanomaterials du Center for Functional Nanomaterials au Laboratoire National de Brookhaven.

« Les capacités de fabriquer des matériaux 3D à l'échelle nanométrique par design sont critiques pour de nombreuses applications émergentes, allant de la manipulation de la lumière au calcul neuromorphique, et des matériaux catalytiques aux échafaudages et réacteurs biomoléculaires », a déclaré Gang.

Dans deux articles, l'un publié dans Nature Materials et un second dans ACS Nano, Gang et ses collègues décrivent une nouvelle méthodologie pour fabriquer des structures 3D nanoscopiques ciblées via l'auto-assemblage qui peuvent trouver usage dans une variété d'applications, et ils fournissent un algorithme de design pour que d'autres puissent faire de même. Et tout est basé sur les blocs de construction biomoléculaires les plus basiques : l'ADN.

Quand il s'agit de fabrication à petite échelle de microélectronique, les approches conventionnelles sont basées sur des stratégies top-down. Une approche courante est la photolithographie, qui utilise une lumière puissante et des pochoirs complexes pour graver des circuits. Mais les techniques lithographiques principales luttent avec des structures complexes tridimensionnelles, tandis que la fabrication additive, mieux connue sous le nom d'impression 3D, ne peut pas encore fabriquer des caractéristiques à l'échelle nanométrique. En termes de flux de travail, les deux méthodes fabriquent chaque caractéristique une par une, en série. C'est un processus intrinsèquement lent pour construire des objets 3D.

Prenant ses indices des bio-systèmes, Gang construit des matériaux et dispositifs 3D du bas vers le haut via des processus d'auto-assemblage dirigés par l'ADN. Il a affiné sa méthode à travers des collaborations avec d'autres scientifiques pour construire, par exemple, des électroniques extrêmement petites dont ils ont besoin pour leur travail.

Il y a deux mois, lui et son ancien étudiant, Aaron Michelson, maintenant scientifique du personnel au Center for Functional Nanomaterials du Laboratoire National de Brookhaven, ont livré un prototype pour des collaborateurs de l'Université du Minnesota intéressés à créer des capteurs de lumière 3D intégrés sur puces. Ils ont construit les capteurs en faisant croître des échafaudages d'ADN sur une puce et en les revêtant ensuite de matériau photosensible.

Ce dispositif n'était que le premier de beaucoup. Dans leur dernier article dans Nature Materials, Gang et son équipe établissent une stratégie de design inverse pour créer les structures 3D désirées à partir d'un ensemble de composants d'ADN nanoscopiques et de nanoparticules. L'étude présente quatre applications de plus de leur approche « origami ADN » au design de matériaux : une structure cristalline composée de chaînes unidimensionnelles et de couches bidimensionnelles ; un mimétique des matériaux couramment trouvés dans les panneaux solaires ; un autre cristal qui tourne dans une spirale hélicale ; et, pour le collaborateur Nanfang Yu, professeur de physique appliquée à Columbia Engineering, une structure qui reflétera la lumière de façons particulières pour son objectif de créer un ordinateur optique.

En utilisant des techniques de caractérisation avancées, telles que la diffusion de rayons X basée sur synchrotron et les méthodes de microscopie électronique, à Columbia et aux Laboratoires Nationaux de Brookhaven, l'équipe a confirmé que les structures résultantes correspondaient à leurs designs et a révélé les considérations de design pour améliorer la fidélité de structure. Chacune de ces structures uniques s'est auto-assemblée dans des puits d'eau dans le laboratoire de Gang. Ce type de formation de matériau est parallèle dans sa nature puisque les composants se réunissent pendant le processus d'assemblage, signifiant des économies significatives de temps et de coûts pour la fabrication 3D comparé aux méthodes traditionnelles. Le processus de fabrication est aussi respectueux de l'environnement car l'assemblage se produit dans l'eau.

« Cette méthodologie d'assemblage, couplée avec l'automatisation de robotique liquide sur laquelle je travaille maintenant au BNL, ouvre de nouvelles possibilités pour établir la nanofabrication 3D pour une large gamme d'applications », a déclaré Brian Minevich, co-premier auteur de l'article, qui était doctorant dans le laboratoire de Gang et est maintenant chercheur postdoctoral au BNL.

« C'est une plateforme applicable à de nombreux matériaux avec de nombreuses propriétés différentes : biologiques, optiques, électriques, magnétiques », a déclaré Gang. Le résultat final dépend simplement du design.

L'ADN se plie de manière prévisible, car les quatre acides nucléiques qui le composent ne peuvent se paire que dans des combinaisons particulières. Mais quand la structure désirée contient des millions, sinon des milliards de pièces, comment trouver la séquence de départ correcte ? Gang et ses collègues résolvent ce défi avec une approche de design structural inverse. « Si nous connaissons la grande structure avec la fonction que nous voulons créer, nous pouvons la disséquer en composants plus petits pour créer nos blocs de construction avec les attributs structuraux, de liaison et fonctionnels requis pour former la structure désirée », a déclaré Gang.

Les blocs de construction sont des brins d'ADN qui se plient en une forme octaédrique mécaniquement robuste, que Gang appelle un voxel, avec des connecteurs à chaque coin qui lient chaque voxel ensemble. De nombreux voxels peuvent être conçus pour se lier dans un motif 3D répétitif particulier en utilisant l'encodage ADN, similaire à la façon dont les pièces de puzzle forment une image complexe. Les motifs répétitifs, à leur tour, sont aussi assemblés en parallèle pour créer la structure hiérarchiquement organisée ciblée. Le collaborateur Sanat Kumar, professeur Michael Bykhovsky et Charo Gonzalez-Bykhovsky de génie chimique à Columbia, a fourni une vérification computationnelle de l'approche de design inverse de Gang.

Pour permettre la stratégie de design inverse, les chercheurs doivent déterminer comment concevoir ces « pièces de puzzle » nanoscopiques basées sur l'ADN avec le nombre minimal nécessaire pour former la structure désirée. « Vous pouvez penser à cela comme compresser un fichier. Nous voulons minimiser la quantité d'information pour que l'auto-assemblage ADN soit le plus efficace », a déclaré le premier auteur Jason Kahn, scientifique du personnel au BNL et précédemment postdoc au groupe de Gang. Surnommé Mapping of Structurally Encoded Assembly, ou MOSES, cet algorithme est comme un logiciel CAO à l'échelle nanométrique, a ajouté Gang. « Il vous dira quel voxel ADN utiliser pour faire un réseau 3D hiérarchiquement ordonné arbitrairement défini. »

À partir de là, vous pouvez ajouter divers types de « cargaison » nano à l'intérieur des voxels ADN qui conféreront à la structure finale des propriétés particulières. Par exemple, des nanoparticules d'or ont été intégrées pour donner des propriétés optiques uniques, comme démontré dans les expériences de Yu. Mais, comme montré précédemment, des nanocomposants inorganiques et bio-dérivés peuvent être intégrés dans ces échafaudages ADN.

Une fois le dispositif assemblé, l'équipe l'a aussi « minéralisé ». Ils ont revêtu les échafaudages de silice et les ont ensuite exposés à la chaleur pour décomposer l'ADN, convertissant efficacement l'échafaudage organique original en une forme inorganique hautement robuste.

Gang continue de collaborer avec Kumar et Yu pour découvrir des principes de design qui permettront l'ingénierie et l'assemblage de structures complexes, espérant réaliser des designs encore plus compliqués, y compris un circuit 3D destiné à imiter la connectivité complexe du cerveau humain.

« Nous sommes bien sur la voie pour établir une plateforme de nanofabrication 3D bottom-up. Nous voyons cela comme l'impression 3D de prochaine génération à l'échelle nanométrique, mais pour l'instant la puissance de l'auto-assemblage basé sur l'ADN nous permet d'établir une fabrication massivement parallèle », a déclaré Gang.

Pour plus d'informations, contactez Oleg Gang à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer JavaScript pour la visualiser..