(Très bon pour les voyages dans l'espace. note de rené)
Des chercheurs fabriquent des nanofibres moléculaires plus résistantes que l’acier
Des chercheurs du MIT ont conçu de petites molécules qui forment spontanément des nanorubans lorsque l’on ajoute de l’eau. Ces molécules comprennent un domaine “aramide” inspiré du Kevlar dans leur conception, qui fixe chaque molécule en place et conduit à des nanorubans plus résistants que l’acier. Cette image montre trois nanorubans “aramide amphiphile” inspirés du Kevlar. Crédit : Peter Allen
L’auto-assemblage est omniprésent dans le monde naturel, servant de voie pour former des structures organisées dans chaque organisme vivant. Ce phénomène peut être observé, par exemple, lorsque deux brins d’ADN – sans aucune incitation ou guidage externe – se joignent pour former une double hélice, ou lorsqu’un grand nombre de molécules se combinent pour créer des membranes ou d’autres structures cellulaires vitales. Tout prend sa place sans qu’un constructeur invisible ait à assembler toutes les pièces, une à la fois.
Depuis une vingtaine d’années, les scientifiques et les ingénieurs suivent l’exemple de la nature en concevant des molécules qui s’assemblent dans l’eau, dans le but de créer des nanostructures, principalement pour des applications biomédicales telles que l’administration de médicaments ou l’ingénierie tissulaire. “Ces matériaux à base de petites molécules ont tendance à se dégrader assez rapidement”, explique Julia Ortony, professeur adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux (DMSE) du MIT, “et ils sont également chimiquement instables. Toute la structure s’effondre lorsque vous enlevez l’eau, en particulier lorsqu’une force extérieure quelconque est appliquée”.
Elle et son équipe ont cependant conçu une nouvelle classe de petites molécules qui s’assemblent spontanément en nanorubans avec une force sans précédent, conservant leur structure en dehors de l’eau. Les résultats de cet effort pluriannuel, qui pourrait inspirer un large éventail d’applications, ont été décrits le 21 janvier dans Nature Nanotechnology par Ortony et ses co-auteurs.
“Ce travail fondamental – qui a permis d’obtenir des propriétés mécaniques anormales grâce à un auto-assemblage hautement contrôlé – devrait avoir un grand impact sur le terrain”, affirme le professeur Tazuko Aida, directeur adjoint du RIKEN Center for Emergent Matter Science et professeur de chimie et de biotechnologie à l’université de Tokyo, qui n’a pas participé à la recherche.
Le matériau que le groupe du MIT a construit – ou plutôt, a permis de construire lui-même – est modelé d’après une membrane cellulaire. Sa partie extérieure est “hydrophile”, ce qui signifie qu’il aime être dans l’eau, tandis que sa partie intérieure est “hydrophobe”, ce qui signifie qu’il essaie d’éviter l’eau. Cette configuration, commente Mme Ortony, “fournit une force motrice pour l’auto-assemblage”, car les molécules s’orientent pour minimiser les interactions entre les régions hydrophobes et l’eau, prenant ainsi une forme nanométrique.
La forme, dans ce cas, est conférée par l’eau et, normalement, la structure entière s’effondrerait une fois séchée. Mais Ortony et ses collègues ont mis au point un plan pour empêcher que cela ne se produise. Lorsque les molécules sont liées de manière lâche, elles se déplacent rapidement, comme dans un fluide ; lorsque la force des forces intermoléculaires augmente, le mouvement ralentit et les molécules prennent un état solide. L’idée, explique Mme Ortony, “est de ralentir le mouvement moléculaire par de petites modifications des molécules individuelles, ce qui peut conduire à un changement collectif, et si possible spectaculaire, des propriétés de la nanostructure”.
Une façon de ralentir les molécules, note Ty Christoff-Tempesta, étudiant en doctorat et premier auteur de l’article, “est de les faire s’accrocher les unes aux autres plus fortement que dans les systèmes biologiques”. Cela peut être accompli lorsqu’un réseau dense de liaisons hydrogène fortes relie les molécules entre elles. C’est ce qui donne à un matériau comme le Kevlar – constitué de ce qu’on appelle des “aramides” – sa stabilité chimique et sa résistance”, explique Christoff-Tempesta.
L’équipe d’Ortony a intégré cette capacité dans la conception d’une molécule qui comporte trois composants principaux : une partie extérieure qui aime interagir avec l’eau, des aramides au milieu pour la liaison, et une partie intérieure qui a une forte aversion pour l’eau. Les chercheurs ont testé des douzaines de molécules répondant à ces critères avant de trouver la conception qui a conduit à de longs rubans d’une épaisseur de l’ordre du nanomètre. Les auteurs ont ensuite mesuré la force et la rigidité des nanorubans pour comprendre l’impact de l’inclusion d’interactions de type Kevlar entre les molécules. Ils ont découvert que les nanorubans étaient étonnamment robustes – plus résistants que l’acier, en fait.
Cette découverte a conduit les auteurs à se demander si les nanorubans pouvaient être regroupés pour produire des matériaux macroscopiques stables. Le groupe d’Ortony a mis au point une stratégie consistant à tirer des nanorubans alignés en longs fils qui pourraient être séchés et manipulés. L’équipe d’Ortony a notamment montré que les fils pouvaient supporter 200 fois leur propre poids et avaient une surface extraordinairement élevée – 200 mètres carrés par gramme de matériau. “Ce rapport surface/masse élevé est prometteur pour la miniaturisation des technologies, car il permet d’obtenir plus de chimie avec moins de matériau”, explique Christoff-Tempesta. À cette fin, ils ont déjà mis au point des nanorubans dont les surfaces sont revêtues de molécules qui peuvent extraire les métaux lourds, comme le plomb ou l’arsenic, de l’eau contaminée. D’autres efforts du groupe de recherche visent à utiliser des nanorubans groupés dans des appareils électroniques et des piles.
Ortony, pour sa part, est toujours étonnée qu’ils aient pu atteindre leur objectif de recherche initial, à savoir “régler l’état interne de la matière pour créer des nanostructures moléculaires exceptionnellement solides”. Les choses auraient facilement pu aller dans l’autre sens ; ces matériaux auraient pu se révéler désorganisés, ou leurs structures fragiles, comme leurs prédécesseurs, ne tenant que dans l’eau. Mais, dit-elle, “nous avons été enthousiasmés de voir que nos modifications de la structure moléculaire étaient effectivement amplifiées par le comportement collectif des molécules, créant ainsi des nanostructures aux propriétés mécaniques extrêmement robustes”. La prochaine étape, qui consistera à déterminer les applications les plus importantes, sera passionnante”.
Traduction de Phys.org par Aube Digitale
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