Les réseaux moirés d'ADN permettent de nouveaux matériaux auto-assemblés

Métamatériaux en treillis

Une nouvelle frontière dans les sciences des matériaux est l’assemblage de structures microscopiques en réseaux, des structures complexes avec un motif régulier et répétitif, souvent constituées de bandes ou de lignes croisées.

Ces structures modifient souvent complètement les propriétés d’un matériau, le rendant par exemple beaucoup plus fort, plus flexible, réfléchir la lumière différemment, etc.

Ces treillis peuvent avoir différentes formes de base, par exemple des carrés, des nids d'abeilles hexagonaux, Kagome, etc.

Source: researchgate

Une autre possibilité consiste à combiner deux couches de matériaux réticulaires, créant ainsi des propriétés encore plus avancées, dépassant largement le potentiel de chaque couche individuelle. Par exemple, nous avons discuté les propriétés supraconductrices potentielles d'une bicouche torsadée constituée d'un matériau tungstène-sélénium.

Un nouveau type de matériau similaire a été inventé par des chercheurs de l'Université de Stuttgart, de l'Université d'État de l'Arizona et de l'Institut Max Planck.

Ils ont créé une structure auto-constructible à partir de molécules d'ADN qui pourrait révolutionner notre contrôle de la lumière, du son et des électrons. Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue scientifique Nature Nanotechnology.¹, sous le titre "Super-réseaux moirés d'ADN ».

Super-réseaux moirés

Les super-réseaux moirés sont des matériaux artificiels créés en empilant des matériaux bidimensionnels (2D) avec un petit angle de torsion ou une inadéquation de réseau.

Source: Natural Nanotechnology

Ce décalage crée un « super motif » supplémentaire, également appelé motif moiré, différent du motif élémentaire des deux réseaux initiaux. Les interactions de la lumière ou des électrons avec le motif moiré confèrent de nouvelles propriétés à ce matériau.

Jusqu'à présent, les motifs moirés en science des matériaux n'avaient été construits qu'à deux échelles radicalement différentes : soit à l'échelle atomique, comme par exemple avec les couches de graphène (un centimillionième de centimètre, soit 2 nanomètre), soit à l'échelle microscopique (un millième de mètre).

Source: Natural Nanotechnology

Ces produits sont généralement très complexes à produire, nécessitant étapes de fabrication méticuleuses, telles que le transfert, l'empilement, la torsion et l'alignement des sous-réseaux.

Cependant, il n'existait pas de super-réseaux moirés à une échelle intermédiaire, mesurée en nanomètres. Jusqu'à ce que ces chercheurs utilisent l'ADN pour en créer un.

Super-réseaux d'ADN

L'ADN est un type très particulier de petite molécule, car il a une tendance naturelle à s'auto-organiser en motifs complexes à l'échelle nanométrique. L'une de ces structures est un faisceau d'ADN en origami, composé d'hélices d'ADN interconnectées, qui a constitué l'un des éléments constitutifs utilisés par les chercheurs.

Source: Natural Nanotechnology

Le deuxième élément constitutif était les sous-réseaux de tuiles d'ADN 2D, composés de tuiles monocaténaires (SST), de formes carrées, hexagonales en nid d'abeille et de kagome. Des microscopes électroniques à transmission (MET) ont été utilisés pour vérifier la régularité et la qualité des structures en treillis.

Source: Natural Nanotechnology

Les chercheurs ont utilisé le faisceau d'ADN en origami comme « graine », autour de laquelle un réseau beaucoup plus grand pouvait s'auto-organiser naturellement. Différentes graines créent différents types de réseau d'ADN, permettant un contrôle optimal de la forme finale.

Source: Natural Nanotechnology

Lors de leur production, plusieurs de ces réseaux se sont mélangés, créant un réseau bicouche composé de molécules d'ADN. Les différentes conditions de production, avec des variations de germes et de température, permettent un contrôle limité de la proportion de réseaux bicouches et monocouches produits.

Source: Natural Nanotechnology

Analyse des bicouches et des tricouches d'ADN

En utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), les chercheurs ont ensuite analysé ces structures nanoscopiques bicouches.

Les deux monocouches mesurent environ 39.0 nm de hauteur et environ un micromètre de largeur.

Source: Natural Nanotechnology

Lorsque les bicouches torsadées utilisaient des sous-réseaux identiques (carré-carré, kagome-kagome et nid d'abeille-nid d'abeille), cela entraînait un chevauchement presque complet (mais pas total) des deux monocouches.

Ce sont ces combinaisons qui ont donné les motifs moirés les plus intéressants pour les bicouches, par rapport aux motifs mixtes.

Source: Natural Nanotechnology

Les chercheurs ont même réussi à créer des motifs à trois couches, avec des motifs moirés encore plus complexes, qui s'auto-assemblent également.

Source: Natural Nanotechnology

Cela ne signifie pas qu'aucune couche mixte n'a présenté de motifs intéressants, comme par exemple la tricouche carré-kagome-carré. Il est également probable que d'autres motifs pourraient être créés à l'avenir avec des germes et des structures d'ADN différents, car il s'agit du tout premier motif moiré nanoscopique jamais créé.

Source: Natural Nanotechnology

Il est possible de mieux contrôler le développement de ces motifs, et des solutions sont déjà envisagées par les chercheurs. Par exemple, la graine d'origami peut être placée avec précision sur des substrats grâce à des méthodes de nanofabrication. Elle pourrait ainsi être assemblée à des emplacements prédéfinis sur la puce.

Applications

Dans l’ensemble, cette technologie de fabrication de réseaux d’ADN auto-assemblés et un nouveau type de matériau pourraient trouver une application dans n’importe quel domaine nécessitant une fabrication précise à l’échelle nanométrique.

Cela est dû en grande partie au fait qu’ils offrent un mélange presque parfait de haute résolution spatiale, d’adressabilité précise et de symétrie programmable.

La première application d'une telle structure serait de l'utiliser comme échafaudage à l'échelle nanoscopique. Par exemple, elle pourrait accueillir des molécules fluorescentes, des nanoparticules métalliques ou des semi-conducteurs dans des architectures 2D et 3D personnalisées.

Une autre option pourrait être de transformer les réseaux multicouches en structures rigides grâce à des modifications chimiques.

Ils pourraient ensuite être réutilisés comme cristaux phononiques ou métamatériaux mécaniques avec des réponses vibrationnelles réglables, ces systèmes ayant de nombreuses applications potentielles dans les capteurs et l'informatique photonique.

Enfin, de tels réseaux pourraient avoir des propriétés de transport d’électrons sélectif en spin, car l’ADN est connu pour filtrer les électrons en fonction de leur spin (une caractéristique quantique).

« Il ne s'agit pas d'imiter les matériaux quantiques. Il s'agit d'élargir l'espace de conception et de permettre la création de nouveaux types de matière structurée de A à Z, avec un contrôle géométrique directement intégré aux molécules. »

Par Laura Na Liu - Directeur du système 2e Institut de physique de l'Université de Stuttgart

Investir dans l'ADN et la nanotechnologie

Twist Biosciences

L'entreprise est spécialisée dans la synthèse d'ADN, tirer parti des méthodes de miniaturisation de l’industrie des semi-conducteurs, ce qui permet aux chercheurs d'économiser du temps et de l'argent.

Grâce à sa capacité avancée de synthèse d’ADN et d’ARN, Twist pourrait rapidement devenir un fabricant majeur d’aptamères si le marché des produits anticoagulants se développe.

En tant que producteur « neutre » axé sur la fourniture des meilleures séquences d’acides nucléiques au meilleur prix, il pourrait être un partenaire de fabrication de choix pour toute société pharmaceutique cherchant à commercialiser des acides nucléiques utiles, comme le stockage de données ou aptamères anticoagulants.

En janvier 2023, la société a commencé à expédier des produits à partir de sa deuxième installation de fabrication récemment lancéeLa nouvelle usine devrait doubler les capacités de production de Twist.

Il travaille également à la création Stockage de données basé sur l'ADN Cela pourrait servir à protéger les données, indépendamment des systèmes électroniques. Ainsi, les technologies avancées de stockage de données pourraient peut-être utiliser l'ADN lui-même.

Cette miniaturisation nous permet de réduire les volumes de réaction d'un facteur 1,000,000 1,000 9,600 tout en augmentant le débit d'un facteur XNUMX XNUMX, permettant la synthèse de XNUMX XNUMX gènes sur une seule puce de silicium à grande échelle.

Source: Twist Biosciences

Étant donné que l'entreprise est experte dans la production de produits ADN à usage industriel, elle pourrait grandement bénéficier du fait que l'ADN devienne un outil clé dans la construction de nanostructures pour l'industrie des semi-conducteurs, de la chimie et de l'informatique, qu'il s'agisse de produits chimiques ADN à la demande, de stockage de données basé sur l'ADN, de réseaux ADN, etc.

Actualités et développements récents concernant l'action Twist Biosciences (TWST)

Étude référencée

^{1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et al. Super-réseaux moirés d'ADN. Nature. Nanotechnologieogie.  (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}