Travailler à l’échelle nanométrique donne aux chercheurs beaucoup de connaissances et de contrôle lors de la fabrication et de la caractérisation des matériaux. Dans la fabrication à as well as grande échelle, ainsi que dans la mother nature, de nombreux matériaux peuvent présenter des défauts et des impuretés qui peuvent perturber leur structure complexe. Cela crée plusieurs factors faibles qui peuvent facilement se briser sous l’effet du strain. Ceci est courant avec la plupart des verres, c’est pourquoi il est considéré comme un matériau si délicat.
Des scientifiques de l’Université de Columbia, de l’Université du Connecticut et du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont réussi à fabriquer une forme pure de verre et à en recouvrir des morceaux d’ADN spécialisés pour créer un matériau qui n’était pas seulement as well as résistant que l’acier. mais incroyablement léger. Les matériaux possédant ces deux qualités sont rares et des recherches moreover approfondies pourraient conduire à de nouvelles purposes en matière d’ingénierie et de défense. Les résultats ont été publiés dans Cell Experiences Actual physical Science.
ADN – Les éléments constitutifs de la vie et bien in addition encore
Gang avait déjà travaillé avec l’auteur principal de l’article, Aaron Michelson, chercheur postdoctoral à Brookhaven, sur une expérience utilisant des buildings d’ADN pour construire un cadre robuste pour de nouveaux matériaux. Les molécules d’ADN se comportent d’une manière intéressante. Les nucléotides individuels, unités de foundation des acides nucléiques comme l’ADN et l’ARN, dictent la liaison entre les séquences complémentaires. La manière précise dont ils se lient les uns aux autres permet aux scientifiques de développer des méthodes permettant de plier l’ADN en formes spécifiques appelées « origami », du nom de l’art japonais du pliage du papier. Ces formes d’ADN sont des éléments de base à l’échelle nanométrique qui peuvent être programmés à l’aide de liaisons d’ADN adressables pour « s’auto-assembler ». Cela signifie que des buildings bien définies avec un motif répétitif peuvent se previous spontanément à partir de ces blocs d’ADN d’origami.
Ces blocs s’accrochent ensuite les uns aux autres pour former un réseau as well as grand, une structure avec un motif répétitif. Ce processus permet aux scientifiques de construire des nanomatériaux ordonnés en 3D à partir d’ADN et d’intégrer des nanoparticules et des protéines inorganiques, comme l’ont démontré les études précédentes du groupe. Après avoir compris et contrôlé ce processus d’assemblage special, Gang, Michelson et leur équipe ont ensuite pu explorer ce qui pouvait être réalisé lorsque cet échafaudage biomoléculaire était utilisé pour créer des constructions en silice préservant l’architecture de l’échafaudage.
« Nous nous sommes concentrés sur l’utilisation de l’ADN comme nanomatériau programmable pour previous un échafaudage 3D complexe », a déclaré Michelson, « et nous voulions explorer comment cet échafaudage fonctionnerait mécaniquement lorsqu’il serait transféré dans des matériaux solides moreover stables. Nous avons exploré la possibilité de créer cet vehicle-assemblage. matériau coulé en silice, principal ingrédient du verre, et son potentiel.
Le travail de Michelson dans ce domaine lui a valu le prix commémoratif Robert Simon de l’Université de Columbia. Ses recherches sur les buildings de l’ADN ont exploré une gamme de caractéristiques et d’applications, des propriétés mécaniques à la supraconductivité. Tout comme les buildings sur lesquelles il s’est construit, le travail de Michelson carry on de croître et de se développer à mesure qu’il intègre de nouvelles couches d’informations difficulties de ces expériences passionnantes.
La partie suivante du processus de fabrication a été inspirée par la biominéralisation – la façon dont certains tissus vivants produisent des minéraux pour devenir as well as durs, comme les os.
« Nous étions très intéressés par la façon dont nous pouvons améliorer les propriétés mécaniques de matériaux ordinaires, comme le verre, tout en les structurant à l’échelle nanométrique », a déclaré Gang.
Les scientifiques ont utilisé une très wonderful couche de verre de silice, d’une épaisseur d’environ 5 nm seulement, soit quelques centaines d’atomes, pour recouvrir les cadres d’ADN, laissant les espaces intérieurs ouverts et garantissant que le matériau résultant est extremely-léger. À cette petite échelle, le verre est insensible aux défauts, offrant une résistance que l’on ne retrouve pas dans des morceaux de verre moreover gros où des fissures se développent et le font éclater. L’équipe voulait cependant connaître exactement la résistance de ce matériau, ce qui, à cette échelle, nécessitait un équipement très spécialisé.
Pressure sous pression
Il existe des moyens simples de vérifier si quelque selected est solide. Piquer, pousser et s’appuyer sur des surfaces et observer leur comportement peuvent souvent fournir des informations utiles. Est-ce qu’ils se plient, grincent, se déforment ou tiennent fermement sous la contrainte ? Il s’agit d’un moyen basic mais efficace de comprendre la drive d’un objet, même sans outils pour la mesurer avec précision. Mais remark peut-on appuyer sur un objet trop petit pour être vu ?
« Pour mesurer la résistance de ces minuscules structures, nous avons utilisé une method appelée nanoindentation », a expliqué Michelson. « La nanoindentation est un exam mécanique à très petite échelle réalisé à l’aide d’un instrument précis able d’appliquer et de mesurer des forces résistives. Nos échantillons n’ont que quelques microns d’épaisseur, environ un millième de millimètre, il est donc unattainable de mesurer ces matériaux par des moyens conventionnels. En utilisant ensemble un microscope électronique et la nanoindentation, nous pouvons simultanément mesurer le comportement mécanique et observer le processus de compression.
Au fur et à mesure que le petit appareil comprime ou indente l’échantillon, les chercheurs peuvent prendre des mesures et observer les propriétés mécaniques. Ils peuvent alors voir ce qui arrive au matériau lorsque la compression est relâchée et que l’échantillon revient à son état d’origine. Si des fissures se forment ou si la framework échoue à un second donné, ces données précieuses peuvent être enregistrées.
Lorsqu’il a été testé, le réseau d’ADN recouvert de verre s’est révélé quatre fois moreover résistant que l’acier ! Ce qui était encore plus intéressant, c’est que sa densité était approximativement cinq fois inférieure. Bien qu’il existe des matériaux solides et considérés comme assez légers, cela n’a jamais été atteint à ce degré.
Cependant, cette strategy n’était pas toujours disponible au CFN.
« Nous avons collaboré avec Seok-Woo Lee, professeur agrégé à l’Université du Connecticut, qui possède une knowledge dans les propriétés mécaniques des matériaux », a déclaré Gang. « C’était un utilisateur de CFN qui a exploité certaines de nos capacités et ressources, comme les microscopes électroniques, et c’est ainsi que nous avons développé une relation avec lui. Au départ, nous n’avions pas la capacité de nanoindentation, mais il nous a conduit vers les outils appropriés et a obtenu » Nous sommes sur la bonne voie. C’est un autre exemple de la manière dont les scientifiques du monde universitaire et des laboratoires nationaux bénéficient de la collaboration. Nous disposons désormais de ces outils et de l’expertise nécessaires pour pousser encore moreover loin des études comme celle-ci. «
Construire quelque selected de nouveau et d’excitant
Même s’il reste encore beaucoup de travail à faire avant de passer à l’échelle et de réfléchir à la myriade d’applications d’un tel matériau, les scientifiques des matériaux ont encore des raisons d’être enthousiasmés par ce que cela signifie pour l’avenir. L’équipe prévoit d’examiner d’autres matériaux, comme les céramiques au carbure, encore furthermore résistantes que le verre, pour voir comment ils fonctionnent et se comportent. Cela pourrait conduire à l’avenir à des matériaux légers encore in addition résistants.
Bien que sa carrière n’en soit qu’à ses débuts, Michelson a déjà accompli beaucoup de choses et est déjà impatient de passer aux prochaines phases de ses recherches.
« C’est une merveilleuse opportunité d’être postdoctorant au Brookhaven Lab, surtout après avoir été étudiant à l’Université de Columbia et qui travaillait assez souvent au CFN », se souvient Michelson. « C’est ce qui m’a amené à poursuivre là-bas en postdoc. Les capacités dont nous disposons au CFN, notamment en matière d’imagerie, ont vraiment contribué à propulser mes travaux. »
