Les scientifiques développent un matériau incroyablement léger, 4 fois plus résistant que l’acier

Les chercheurs ont développé un matériau léger mais résistant en combinant deux ingrédients inattendus : l’ADN et le verre.

Travailler au

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>à l’échelle nanométrique fournit aux scientifiques une compréhension approfondie et une précision dans la fabrication et l’analyse des matériaux. Dans le cadre d’une production à plus grande échelle, et même dans des environnements naturels, de nombreux matériaux sont susceptibles de présenter des défauts et des contaminants susceptibles de compromettre leur architecture complexe. De telles vulnérabilités peuvent provoquer leur fracture sous la pression. Cela est particulièrement évident dans la plupart des types de verre, ce qui lui confère la réputation d’être un matériau fragile.

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 pièces spécialisées.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>ADN avec cela pour créer un matériau qui était non seulement plus résistant que l’acier, mais incroyablement léger. Les matériaux possédant ces deux qualités sont rares et des recherches plus approfondies pourraient conduire à de nouvelles applications en matière d’ingénierie et de défense. Les résultats ont été publiés dans la revue Cell R.rapports Sciences physiques.

ADN : les éléments constitutifs de la vie et bien plus encore

Chez les êtres vivants, désoxyribonucléique

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>acide, plus communément appelé ADN, contient des informations biologiques qui indiquent aux cellules des organismes comment se former, croître et se reproduire. Le matériau dont est constitué l’ADN est connu sous le nom de polymère, une classe de matériaux résistants et élastiques qui comprend le plastique et le caoutchouc. Leur résilience et leur simplicité ont intrigué les scientifiques des matériaux et inspiré de nombreuses expériences intéressantes. Oleg Gang, scientifique des matériaux au Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab, et professeur à

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Université Columbia, exploite depuis des années les propriétés uniques de l’ADN pour la synthèse de matériaux, ce qui a donné lieu à de nombreuses découvertes. Cette nouvelle technologie a inspiré toute une série d’applications innovantes, depuis l’administration de médicaments jusqu’à l’électronique.

Oleg Gang, photographié derrière, et Aaron Michelson utilisent les ressources spécialisées du CFN pour mesurer la force surprenante de cette nouvelle structure matérielle. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

Gang avait déjà travaillé avec l’auteur principal de l’article, Aaron Michelson, chercheur postdoctoral à Brookhaven, sur une expérience utilisant des structures 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 base des acides nucléiques comme l’ADN et

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>ARN, dictent la liaison entre des 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 constitutifs à l’échelle nanométrique qui peuvent être programmés à l’aide de liaisons d’ADN adressables pour «auto-assembler.» Cela signifie que des structures bien définies avec un motif répétitif peuvent se former spontanément à partir de ces blocs d’ADN d’origami.

Ces blocs s’accrochent ensuite les uns aux autres pour former un réseau plus 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 acquis une compréhension et un contrôle de ce processus d’assemblage unique, Gang, Michelson et leur équipe ont ensuite pu explorer ce qui pourrait être réalisé lorsque cet échafaudage biomoléculaire était utilisé pour créer des structures en silice préservant l’architecture de l’échafaudage.

“Nous nous sommes concentrés sur l’utilisation de l’ADN comme nanomatériau programmable pour former un échafaudage 3D complexe”, a déclaré Michelson, “et nous voulions explorer comment cet échafaudage fonctionnerait mécaniquement lorsqu’il serait transféré dans des matériaux solides plus stables. Nous avons étudié la possibilité de couler ce matériau auto-assemblable dans de la silice, l’ingrédient principal 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 structures de l’ADN ont exploré une gamme de caractéristiques et d’applications, des propriétés mécaniques à la supraconductivité. Tout comme les structures sur lesquelles il s’est construit, le travail de Michelson continue de croître et de se développer à mesure qu’il intègre de nouvelles couches d’informations issues de ces expériences passionnantes.

Un aperçu microscopique de la façon dont ces brins d’ADN forment des formes intégrées à des structures de réseau plus grandes recouvertes de silice. CFN, JEOL-1400 TEM et Hitachi-4800 SEM. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

La partie suivante du processus de fabrication a été inspirée par la biominéralisation, la façon dont certains tissus vivants produisent des minéraux pour devenir plus 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 fine 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 ultra-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 plus 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.

Force sous pression

Il existe des moyens simples de vérifier si quelque chose 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 simple mais efficace de comprendre la force d’un objet, même sans outils pour la mesurer avec précision. Mais comment peut-on appuyer sur un objet trop petit pour être vu ?

“Pour mesurer la résistance de ces minuscules structures, nous avons utilisé une technique appelée nanoindentation”, a expliqué Michelson. « La nanoindentation est un test mécanique à très petite échelle réalisé à l’aide d’un instrument précis capable 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 impossible 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.

Un graphique comparant le nano-réseau de cette expérience à la résistance relative de divers matériaux. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

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 structure échoue à un moment donné, ces données précieuses peuvent être enregistrées.

Lorsqu’il a été testé, le réseau d’ADN recouvert de verre s’est révélé quatre fois plus résistant que l’acier ! Ce qui était encore plus intéressant, c’est que sa densité était environ 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 technique n’était pas toujours disponible au CFN.

“Nous avons collaboré avec Seok-Woo Lee, professeur agrégé à l’Université du Connecticut, qui possède une expertise 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 nous a mis sur la bonne voie. Il s’agit d’un autre exemple de la façon 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 plus loin des études comme celle-ci.

Construire quelque chose 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 plus résistantes que le verre, pour voir comment ils fonctionnent et se comportent. Cela pourrait conduire à l’avenir à des matériaux légers encore plus 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 mon travail.

Référence : « Silice nano-architecturée légère et à haute résistance » par Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee et Oleg Gang, 27 juin 2023, DOI : 10.1016/j.xcrp.2023.101475