Des “nœuds papillon” de la taille d’un micron, auto-assemblés à partir de nanoparticules, forment une variété de formes de boucles différentes qui peuvent être contrôlées avec précision, a montré une équipe de recherche dirigée par l’Université du Michigan.
Le développement ouvre la voie à la generation facile de matériaux qui interagissent avec la lumière torsadée, fournissant de nouveaux outils pour la eyesight artificielle et la manufacturing de médicaments.
Alors que la biologie regorge de buildings tordues comme l’ADN, connues sous le nom de constructions chirales, le degré de torsion est verrouillé – essayer de le changer brise la construction. Désormais, les chercheurs peuvent concevoir le degré de torsion.
De tels matériaux pourraient permettre aux robots de naviguer avec précision dans des environnements humains complexes. Les structures torsadées encoderaient les informations dans les formes des ondes lumineuses qui se reflètent à partir de la surface, plutôt que dans l’arrangement 2D des symboles qui comprend la plupart des signes lisibles par l’homme. Cela tirerait parti d’un aspect de la lumière que les humains peuvent à peine ressentir, connu sous le nom de polarisation. Les nanostructures torsadées reflètent préférentiellement certains kinds de lumière polarisée circulairement, une forme qui se tord lorsqu’elle se déplace dans l’espace.
“C’est fondamentalement comme la eyesight de polarisation chez les crustacés”, a déclaré Nicholas Kotov, professeur émérite de l’Université Irving Langmuir en sciences chimiques et en génie, qui a dirigé l’étude. “Ils recueillent beaucoup d’informations malgré des environnements obscurs.”
Les robots pourraient lire des signes qui ressemblent à des factors blancs aux yeux humains l’information serait codée dans la combinaison des fréquences réfléchies, l’étanchéité de la torsion et si la torsion était à gauche ou à droite.
En évitant l’utilisation de la lumière naturelle et ambiante, en s’appuyant plutôt sur la lumière polarisée circulairement générée par le robotic, les robots sont moins susceptibles de manquer ou de mal interpréter un signal, que ce soit dans des environnements lumineux ou sombres. Les matériaux capables de refléter sélectivement la lumière torsadée, connus sous le nom de métamatériaux chiraux, sont généralement difficiles à fabriquer, mais pas les nœuds papillon.
“Auparavant, les métasurfaces chirales étaient réalisées avec beaucoup de difficulté à l’aide d’un équipement de plusieurs hundreds of thousands de bucks. Désormais, ces surfaces complexes aux multiples utilisations attrayantes peuvent être imprimées comme une photographie”, a déclaré Kotov.
Les nanostructures torsadées peuvent également aider à créer les bonnes ailments pour produire des médicaments chiraux, difficiles à fabriquer avec la bonne torsion moléculaire.
“Ce qui n’a jamais été vu dans aucun système chiral auparavant, c’est que nous pouvons contrôler la torsion d’une composition entièrement torsadée à gauche à une crêpe plate à une construction entièrement torsadée à droite. Nous appelons cela un continuum de chiralité”, a déclaré Prashant. Kumar, chercheur postdoctoral UM en génie chimique et leading auteur de l’étude dans Mother nature.
Kumar a testé les nœuds papillon comme une sorte de peinture, en les mélangeant avec de l’acide polyacrylique et en les tamponnant sur du verre, du tissu, du plastique et d’autres matériaux. Des expériences avec des lasers ont montré que cette peinture reflétait la lumière tordue uniquement lorsque la torsion de la lumière correspondait à la torsion de la forme du nœud papillon.
Les nœuds papillons sont fabriqués en mélangeant du cadmium métal et de la cystine, un fragment de protéine disponible en variations gaucher et droitier, dans de l’eau additionnée de lessive. Si la cystine était entièrement gauchère, des nœuds papillons gauchers se formaient et la cystine droite donnait des nœuds papillons droitiers – chacun avec une torsion d’emballage de bonbon.
Mais avec des ratios différents de cystine gaucher et droitier, l’équipe a fait des rebondissements intermédiaires, y compris la crêpe plate à un ratio 50-50. Le pas des nœuds papillons les as well as serrés, essentiellement la longueur d’un virage à 360 degrés, est d’environ 4 microns de prolonged – dans la gamme de longueurs d’onde de la lumière infrarouge.
“Non seulement nous connaissons la development de l’échelle atomique jusqu’à l’échelle du micron des nœuds papillons, mais nous avons également une théorie et des expériences qui nous montrent les forces directrices. Avec cette compréhension fondamentale, vous pouvez concevoir un tas de d’autres particules », a déclaré Thi Vo, ancien chercheur postdoctoral en génie chimique à l’UM.
Il a travaillé avec Sharon Glotzer, co-auteur correspondant de l’étude et directeur du département de génie chimique Anthony C. Lembke à l’UM.
Contrairement à d’autres nanostructures chirales, dont l’auto-assemblage peut prendre des jours, les nœuds papillon se sont formés en seulement 90 secondes. L’équipe a produit 5 000 formes différentes dans le spectre des nœuds papillon. Ils ont étudié les formes dans les détails atomiques à l’aide de rayons X au Laboratoire nationwide d’Argonne avant l’analyse de simulation.
Des analyses matérielles supplémentaires et des contributions à la théorie ont été fournies par des collaborateurs de l’UM, de l’Université de Pennsylvanie, de l’Université de Palerme en Italie et de Pro Vitam Ltd, en Roumanie. L’étude a été soutenue par l’Office of Naval Investigation, la National Science Foundation et l’Army Study Workplace.
Kotov est également professeur d’ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka et professeur d’ingénierie chimique et de science et d’ingénierie macromoléculaires. Vo est maintenant professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université Johns Hopkins. Glotzer est également professeur émérite d’ingénierie de l’Université John Werner Cahn, professeur collégial Stuart W. Churchill de génie chimique et professeur de science et d’ingénierie des matériaux, de science et d’ingénierie macromoléculaires et de physique.