Super-réseaux moirés d'ADN programmables : élargissement de l'espace de conception des matériaux à l'échelle nanométrique
De vastes implications pour l'ingénierie moléculaire, la nanophotonique, la spintronique et la science des matériaux
Les chercheurs créent de nouveaux matériaux moirés à l'échelle du nanomètre en utilisant la nanotechnologie avancée de l'ADN : Les super-réseaux moirés d'ADN se forment lorsque deux réseaux périodiques d'ADN sont superposés avec une légère rotation ou un décalage de position. Cela crée un nouveau motif d'interférence, plus grand, avec des propriétés physiques complètement différentes. Une nouvelle approche mise au point par des chercheurs de l'université de Stuttgart et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide facilite non seulement la construction complexe de ces super-réseaux, mais ouvre également des possibilités de conception entièrement nouvelles à l'échelle nanométrique. L'étude a été publiée dans la revue Nature Nanotechnology.
L'équipe de Stuttgart (de gauche à droite) : Laura Na Liu, Xinxin Jing, Tobias Heil et Peter A. van Aken.
2nd Physics Institute, University of Stuttgart
Les super-réseaux moirés sont devenus un élément central de la recherche moderne en matière condensée et en photonique. Toutefois, la réalisation de telles structures implique généralement des étapes de fabrication délicates et laborieuses, notamment l'alignement et le transfert précis de couches préfabriquées dans des conditions hautement contrôlées. "Notre approche permet de contourner les contraintes traditionnelles liées à la création de super-réseaux moirés", explique le professeur Laura Na Liu, directrice du 2e institut de physique de l'université de Stuttgart.
Un nouveau paradigme pour la construction de super-réseaux moirés
"Contrairement aux méthodes conventionnelles qui reposent sur l'empilage et la torsion mécaniques de matériaux bidimensionnels, notre plateforme s'appuie sur un processus d'assemblage ascendant", explique Laura Na Liu. Le processus d'assemblage consiste à relier des brins d'ADN individuels pour former des structures plus grandes et ordonnées. Il est basé sur l'auto-organisation : Les brins d'ADN s'assemblent sans intervention extérieure, uniquement par le biais d'interactions moléculaires. L'équipe de recherche de Stuttgart tire parti de cette particularité. "Nous codons les paramètres géométriques du super-réseau - tels que l'angle de rotation, l'espacement des sous-réseaux et la symétrie du réseau - directement dans la conception moléculaire de la structure initiale, connue sous le nom de graine de nucléation. Nous permettons ensuite à l'ensemble de l'architecture de s'auto-assembler avec une précision de l'ordre du nanomètre". La graine agit comme un plan structurel, dirigeant la croissance hiérarchique des réseaux d'ADN 2D en bicouches ou tricouches torsadées avec précision, le tout réalisé en une seule étape d'assemblage en phase de solution.
Exploration d'un territoire inexploré : Structures moirées à l'échelle du nanomètre intermédiaire
Alors que les super-réseaux moirés ont été largement explorés à l'échelle atomique (angström) et photonique (submicron), le régime nanométrique intermédiaire, où convergent la programmabilité moléculaire et la fonctionnalité des matériaux, est resté largement inaccessible. Les chercheurs de Stuttgart ont comblé cette lacune grâce à leur étude actuelle. L'équipe combine deux puissantes nanotechniques de l'ADN : l'origami d'ADN et l'assemblage de tuiles simple brin (SST).
En utilisant cette stratégie hybride, les chercheurs ont construit des super-réseaux à l'échelle du micromètre avec des dimensions de cellules unitaires aussi petites que 2,2 nanomètres, présentant des angles de torsion accordables et diverses symétries de réseau, notamment carrée, kagome et en nid d'abeille. Ils ont également démontré des super-réseaux à gradient de moiré, dans lesquels l'angle de torsion et donc la périodicité du moiré varient continuellement à travers la structure. "Ces super-réseaux révèlent des motifs de moiré bien définis au microscope électronique à transmission, les angles de torsion observés correspondant étroitement à ceux codés dans la graine d'origami ADN", note le professeur Peter A. van Aken de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide, coauteur de l'étude.
L'étude présente également un nouveau processus de croissance pour les super-réseaux moirés. Le processus est initié par des brins de capture définis dans l'espace sur la graine d'ADN qui agissent comme des "crochets" moléculaires pour lier précisément les SST et diriger leur alignement entre les couches. Cela permet la formation contrôlée de bicouches ou de tricouches torsadées avec des sous-réseaux de SST alignés avec précision.
De vastes implications pour l'ingénierie moléculaire, la nanophotonique, la spintronique et la science des matériaux
Leur haute résolution spatiale, leur adressage précis et leur symétrie programmable confèrent aux nouveaux super-réseaux moirés un potentiel important pour diverses applications dans la recherche et la technologie. Par exemple, ils constituent des échafaudages idéaux pour les composants à l'échelle nanométrique, tels que les molécules fluorescentes, les nanoparticules métalliques ou les semi-conducteurs dans des architectures 2D et 3D personnalisées.
Lorsqu'ils sont transformés chimiquement en structures rigides, ces treillis pourraient être réaffectés en cristaux phononiques ou en métamatériaux mécaniques avec des réponses vibratoires accordables. Leur conception en gradient spatial ouvre également des perspectives pour l'optique de transformation et les dispositifs photoniques à gradient d'indice, où la périodicité de moiré pourrait orienter la lumière ou le son le long de trajectoires contrôlées.
Une application particulièrement prometteuse réside dans le transport d'électrons sélectif en fonction du spin. Il a été démontré que l'ADN agit comme un filtre de spin, et ces super-réseaux bien ordonnés avec des symétries de moiré définies pourraient servir de plateforme pour explorer les phénomènes topologiques de transport de spin dans un cadre hautement programmable.
"Il ne s'agit pas d'imiter les matériaux quantiques", explique Laura Na Liu. "Il s'agit d'élargir l'espace de conception et de rendre possible la construction de nouveaux types de matière structurée à partir de la base, avec un contrôle géométrique intégré directement dans les molécules.
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Publication originale
Xinxin Jing, Nicolas Kroneberg, Andreas Peil, Benjamin Renz, Longjiang Ding, Tobias Heil, Katharina Hipp, Peter A. van Aken, Hao Yan and Na Liu. DNA moiré superlattices. Nature Nanotechnology
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