Le professeur Liang Haojun de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a proposé une nouvelle méthode pour échapper à la métastabilité pour l’auto-assemblage dans un système loin de l’équilibre. L’étude a été publiée dans PNAS.
L’auto-assemblage désigne le processus par lequel des éléments primitifs assemblés (molécules, nanoparticules, etc.) forment spontanément des structures ordonnées par des interactions non covalentes. Son excellente capacité à créer de nouveaux matériaux a attiré l’attention. Dans un processus d’assemblage idéal, le système atteindra un état thermodynamiquement stable avec l’énergie libre la plus faible et formera une structure d’assemblage de haute qualité. Cependant, pour le système d’assemblage éloigné de l’état d’équilibre, le système est susceptible d’être bloqué dans la métastabilité où l’énergie libre locale est extrêmement faible, bloquant la formation d’une structure d’assemblage de haute qualité.
Comment contourner la métastabilité dans un système loin de l’équilibre est considéré comme une énigme difficile dans le domaine de l’auto-assemblage. Pour l’assemblage de nanoparticules fonctionnalisées par l’ADN, un système typique loin de l’équilibre, la stratégie de recuit thermique contrôlé par entropie constitue un moyen traditionnel et généralement adopté pour échapper à la métastabilité. Néanmoins, l’agrégation et la dispersion des nanoparticules se produisent généralement sur une plage de température étroite pendant le recuit. En corrigeant les liaisons non covalentes mal connectées, l’énergie thermique n’est pas sélective. Le recuit thermique n’est pas propice à l’assemblage de particules biologiquement actives ou dans des conditions physiologiques.
Inspirés par le concept d’assemblage catalytique proposé par l’académicien TIAN Zhongqun de l’Université de Xiamen, le professeur LIANG et son équipe ont présenté une nouvelle façon de réaliser l’assemblage catalytique de nanoparticules colloïdales fonctionnalisées par l’ADN dans un système loin de l’équilibre. Sur la base de leur prédiction sur la simulation théorique et des résultats de recherches antérieures sur la stratégie de contrôle d’enthalpie constante pour l’assemblage de nanoparticules, ils ont utilisé une molécule amovible appelée « catassembleur », qui sert de catalyseur, pour ajuster les liaisons imparfaites et aider le système à échapper à la métastabilité tout en préservant cadre assemblé.
Dans cette stratégie, le court brin d’ADN agissant comme accélérateur a un effet compétitif direct avec l’extrémité de liaison à la surface des nanoparticules à l’intérieur de la structure d’assemblage, et la liaison non covalente de la mauvaise connexion pourrait être corrigée par le brin d’ADN transitoire réaction de remplacement, aidant le système à échapper à la métastabilité. Au cours du processus, l’accélérateur ne détruirait pas le squelette global de la structure d’assemblage et il pourrait être retiré de la structure d’assemblage finale. De plus, en modifiant la conception structurelle de l’accélérateur, on pourrait même réduire le dosage de l’accélérateur et améliorer son efficacité.
De même, sur la base du même principe, des structures de super-réseau avec différentes symétries cristallines peuvent être obtenues en changeant le type de noyau de nanoparticules dans un système à deux composants et en ajoutant directement l’accélérateur d’ADN correspondant après la conception de la séquence d’ADN. Cette stratégie rend la mise en œuvre de l’assemblage des nanoparticules aisée car la réaction chimique se produit à température constante. De plus, cette stratégie de régulation de l’accélérateur d’ADN est simple et efficace que la transformation de phase « solide-solide » entre différents cristaux colloïdaux devient plus facile à réaliser, après avoir franchi les contraintes de la régulation de la température et de l’énergie libre de l’état de phase initial. Il affiche son potentiel d’application dans les composites bio-inorganiques à transformation de phase « solide-solide » structurellement reconfigurables.
En tant que méthode générale de régulation des interactions non covalentes au sein de structures d’assemblage, la stratégie d’accélérateur proposée dans cette étude devrait être étendue au contrôle et à la conception de procédés d’assemblage pour d’autres systèmes de matériaux mous (polypeptides, copolymères à blocs, etc.) qui sont loin de l’équilibre.
