Une vision plus approfondie des nanomatériaux

C'est un défi complexe que des chercheurs de Columbia Engineering et du Brookhaven National Laboratory du ministère américain de l'énergie (DOE) ont relevé pour la première fois, en visualisant l'intérieur d'un nouveau matériau auto-assemblé à partir de nanoparticules avec une résolution de sept nanomètres, soit environ 1/100 000 de la largeur d'un cheveu humain. Dans un nouvel article publié le 6 avril 2022 dans Science, les chercheurs montrent la puissance de leur nouvelle technique d'imagerie par rayons X à haute résolution pour révéler la structure interne du nanomatériau.

L'équipe a conçu le nouveau nanomatériau en utilisant l'ADN comme matériau de construction programmable, ce qui lui permet de créer de nouveaux matériaux d'ingénierie pour la catalyse, l'optique et les environnements extrêmes. Au cours du processus de création de ces matériaux, les différents blocs de construction constitués d'ADN et de nanoparticules se mettent en place d'eux-mêmes en fonction d'un "plan" défini - appelé modèle - conçu par les chercheurs. Cependant, pour pouvoir imager et exploiter ces minuscules structures avec des rayons X, ils devaient les convertir en matériaux inorganiques capables de résister aux rayons X tout en offrant des fonctionnalités utiles. Pour la première fois, les chercheurs ont pu voir les détails, y compris les imperfections, au sein de leurs nanomatériaux nouvellement disposés.

"Bien que l'assemblage de nanomatériaux basé sur l'ADN offre un niveau de contrôle énorme pour ajuster les propriétés que nous désirons, ils ne forment pas des structures parfaites qui correspondent entièrement au plan. Ainsi, sans imagerie 3D détaillée avec une résolution de particule unique, il est impossible de comprendre comment concevoir des systèmes auto-assemblés efficaces, comment régler le processus d'assemblage et dans quelle mesure les performances d'un matériau sont affectées par les imperfections", a déclaré l'auteur correspondant, Oleg Gang, professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à Columbia Engineering, et scientifique au Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven.

Création de nouvelles nanostructures dans les laboratoires de Columbia et de Brookhaven

En tant qu'installation d'utilisateur du DOE Office of Science, le CFN offre un large éventail d'outils pour créer et étudier de nouveaux nanomatériaux. C'est dans les laboratoires du CFN et à Columbia Engineering que Gang et son équipe ont construit et étudié pour la première fois de nouvelles nanostructures. En utilisant à la fois l'assemblage basé sur l'ADN comme nouvel outil de fabrication à l'échelle nanométrique et le modelage précis avec des matériaux inorganiques pouvant recouvrir l'ADN et les nanoparticules, les chercheurs ont pu démontrer un nouveau type d'architecture 3D complexe.

"Lorsque j'ai rejoint l'équipe de recherche il y a cinq ans, nous avions très bien étudié la surface de nos assemblages, mais la surface n'est que superficielle. Si vous ne pouvez pas aller plus loin, vous ne verrez jamais qu'il y a un système sanguin ou des os en dessous. Puisque l'assemblage à l'intérieur de nos matériaux détermine leur performance, nous voulions aller plus loin pour comprendre comment il fonctionne", a déclaré Aaron Noam Michelson, premier auteur de l'étude, qui était étudiant en doctorat avec Gang et qui est maintenant postdoc au CFN.

L'équipe a donc approfondi ses recherches en collaborant avec les chercheurs de la ligne de faisceaux HXN (Hard X-ray Nanoprobe) de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une autre installation du DOE Office of Science située au Brookhaven Lab. Le NSLS-II permet aux chercheurs d'étudier les matériaux avec une résolution à l'échelle nanométrique et une sensibilité exquise en fournissant une lumière ultra brillante allant de l'infrarouge aux rayons X durs.

"Au NSLS-II, nous disposons de nombreux outils qui peuvent être utilisés pour en savoir plus sur un matériau, en fonction de ce qui vous intéresse. Ce qui a rendu le HXN intéressant pour Oleg et ses travaux, c'est que l'on peut voir les relations spatiales réelles entre les objets au sein de la structure à l'échelle nanométrique. Mais, à l'époque où nous avons parlé pour la première fois de cette recherche, "voir dans" ces minuscules structures était déjà à la limite de ce que la ligne de faisceaux pouvait faire", a déclaré Hanfei Yan, également auteur correspondant de l'étude et scientifique de la ligne de faisceaux à HXN.

Surmonter les obstacles

Pour relever ce défi, les chercheurs ont discuté des différents obstacles qu'ils devaient surmonter. Au CFN et à Columbia, l'équipe a dû trouver comment construire les structures avec l'organisation souhaitée et comment les convertir en une réplique inorganique capable de résister à de puissants faisceaux de rayons X, tandis qu'au NSLS-II, les chercheurs ont dû régler la ligne de faisceau en améliorant la résolution, l'acquisition de données et de nombreux autres détails techniques.

"Je pense que la meilleure façon de décrire nos progrès est en termes de performance. Lorsque nous avons essayé pour la première fois de prendre des données à HXN, cela nous a pris trois jours et nous avons obtenu une partie d'un ensemble de données. La deuxième fois que nous l'avons fait, cela nous a pris deux jours et nous avons obtenu la plupart d'un ensemble de données, mais notre échantillon a été détruit dans le processus. La troisième fois, cela nous a pris un peu plus de 24 heures, et nous avons obtenu un ensemble complet de données. Chacune de ces étapes a été espacée d'environ six mois", a déclaré Michelson.

Yan a ajouté : "Maintenant, nous pouvons le terminer en une seule journée. La technique est suffisamment au point pour que nous la proposions également à d'autres utilisateurs qui souhaiteraient utiliser notre ligne de faisceaux pour étudier leur échantillon. L'observation d'échantillons à cette échelle est intéressante pour des domaines tels que la microélectronique et la recherche sur les batteries."

Exploiter la ligne de faisceaux de Brookhaven

L'équipe a exploité les capacités de la ligne de faisceaux de deux manières. Elle a non seulement mesuré le contraste de phase des rayons X traversant les échantillons, mais elle a également recueilli la fluorescence des rayons X - la lumière émise - de l'échantillon. En mesurant le contraste de phase, les chercheurs ont pu mieux distinguer le premier plan de l'arrière-plan de leur échantillon.

"La mesure des données n'était que la moitié de la bataille ; il nous fallait maintenant traduire ces données en informations significatives sur l'ordre et l'imperfection des systèmes auto-assemblés. Nous voulions comprendre quels types de défauts peuvent apparaître dans ces systèmes et quelle est leur origine. Jusqu'à présent, ces informations n'étaient disponibles que par le biais du calcul. Maintenant, nous pouvons vraiment le voir de manière expérimentale, ce qui est très excitant et, littéralement, nous ouvre les yeux sur le développement futur de nanomatériaux complexes", a déclaré M. Gang.

De nouveaux outils logiciels pour gérer les données

Ensemble, les chercheurs ont développé de nouveaux outils logiciels pour aider à démêler la grande quantité de données en morceaux pouvant être traités et compris. L'un des principaux défis était de pouvoir valider la résolution obtenue. Le processus itératif qui a finalement abouti à cette nouvelle résolution révolutionnaire s'est étalé sur plusieurs mois avant que l'équipe ne vérifie la résolution à l'aide d'une analyse standard et d'approches d'apprentissage automatique.

"Il m'a fallu tout mon doctorat pour en arriver là, mais je suis personnellement très satisfait d'avoir participé à cette collaboration. J'ai pu m'impliquer dans chaque étape du processus, de la fabrication des échantillons à l'exploitation de la ligne de faisceaux. Toutes les nouvelles compétences que j'ai acquises au cours de ce voyage me seront utiles pour tout ce qui nous attend", a déclaré M. Michelson.

Prochaines étapes

Même si l'équipe a atteint cette étape impressionnante, elle est loin d'avoir terminé. Elle s'est déjà fixé comme objectif de repousser les limites du possible.

"Maintenant que nous sommes passés par le processus d'analyse des données, nous prévoyons de rendre cette partie plus facile et plus rapide pour les projets futurs, en particulier lorsque de nouvelles améliorations de la ligne de faisceaux nous permettront de collecter des données encore plus rapidement. L'analyse est actuellement le goulot d'étranglement des travaux de tomographie à haute résolution au HXN", a déclaré Yan.

Gang ajoute : "En plus de continuer à pousser les performances de la ligne de faisceaux, nous prévoyons également d'utiliser cette nouvelle technique pour approfondir les relations entre les défauts et les propriétés de nos matériaux. Nous prévoyons de concevoir des nanomatériaux plus complexes en utilisant l'auto-assemblage de l'ADN qui peut être étudié à l'aide du HXN. De cette façon, nous pouvons voir comment la structure est construite en interne et la relier au processus d'assemblage. Nous développons une nouvelle plateforme de fabrication ascendante que nous ne pourrions pas imager sans cette nouvelle capacité."

En comprenant ce lien entre les propriétés du matériau et le processus d'assemblage, les chercheurs espèrent ouvrir la voie à un réglage fin de ces matériaux en vue de futures applications dans des nanomatériaux conçus pour les batteries et la catalyse, pour la manipulation de la lumière et pour les réponses mécaniques souhaitées.