Auto-assemblage - Self-assembly

Pour d'autres utilisations, voir Auto-construction (homonymie) .
Auto-assemblage de lipides (a), protéines (b) et (c) complexes SDS - cyclodextrine . Le SDS est un tensioactif avec une queue hydrocarbonée (jaune) et une tête SO 4 (bleu et rouge), tandis que la cyclodextrine est un cycle saccharidique (atomes C vert et O rouge).
Image en microscopie électronique à transmission d'une nanoparticule d' oxyde de fer . Les points régulièrement disposés à l'intérieur de la bordure en pointillés sont des colonnes d'atomes de Fe. L'encart gauche est le diagramme de diffraction électronique correspondant . Barre d'échelle : 10 nm.
Les nanoparticules d'oxyde de fer peuvent être dispersées dans un solvant organique ( toluène ). Lors de son évaporation, ils peuvent s'auto-assembler (panneaux gauche et droit) en mésocristaux de la taille d'un micron (au centre) ou en multicouches (à droite). Chaque point dans l'image de gauche est un cristal "atomique" traditionnel montré dans l'image ci-dessus. Barres d'échelle : 100 nm (à gauche), 25 m (au centre), 50 nm (à droite).
Image STM de molécules Br 4 - pyrène auto-assemblées sur la surface Au(111) (en haut) et son modèle (en bas ; les sphères roses sont des atomes de Br).

L'auto-assemblage est un processus dans lequel un système désordonné de composants préexistants forme une structure ou un modèle organisé à la suite d'interactions locales spécifiques entre les composants eux-mêmes, sans direction externe. Lorsque les composants constitutifs sont des molécules, le processus est appelé auto-assemblage moléculaire .

Imagerie AFM de l'auto-assemblage de molécules d'acide 2-aminotéréphtalique sur calcite orientée (104) .

L'auto-assemblage peut être classé comme statique ou dynamique. Dans l' auto-assemblage statique , l'état ordonné se forme lorsqu'un système approche de l' équilibre , réduisant son énergie libre . Cependant, dans l' auto-assemblage dynamique , les modèles de composants préexistants organisés par des interactions locales spécifiques ne sont pas communément décrits comme « auto-assemblés » par les scientifiques des disciplines associées. Ces structures sont mieux décrites comme « auto-organisées », bien que ces termes soient souvent utilisés de manière interchangeable.

Auto-assemblage en chimie et science des matériaux

La structure de l' ADN à gauche ( schéma illustré) s'auto-assemblera dans la structure visualisée par microscopie à force atomique à droite.

L'auto-assemblage au sens classique peut être défini comme l' organisation spontanée et réversible d'unités moléculaires en structures ordonnées par des interactions non covalentes . La première propriété d'un système auto-assemblé que suggère cette définition est la spontanéité du processus d'auto-assemblage : les interactions responsables de la formation du système auto-assemblé agissent à un niveau strictement local, c'est-à-dire que la nanostructure se construit elle-même. .

Bien que l'auto-assemblage se produise généralement entre des espèces à interaction faible, cette organisation peut être transférée dans des systèmes covalents fortement liés . Un exemple de ceci peut être observé dans l'auto-assemblage de polyoxométalates . Les preuves suggèrent que de telles molécules s'assemblent via un mécanisme de type phase dense par lequel de petits ions oxométallate s'assemblent d' abord de manière non covalente en solution, suivi d'une réaction de condensation qui lie de manière covalente les unités assemblées. Ce processus peut être facilité par l'introduction d'agents modèles pour contrôler les espèces formées. De cette manière, des molécules covalentes hautement organisées peuvent être formées d'une manière spécifique.

La nano-structure auto-assemblée est un objet qui apparaît à la suite de l'ordre et de l'agrégation d'objets individuels à l'échelle nanométrique guidés par un principe physique .

Un exemple particulièrement contre-intuitif d'un principe physique qui peut conduire à l'auto-assemblage est la maximisation de l' entropie . Bien que l'entropie soit classiquement associée au désordre , dans des conditions appropriées, l'entropie peut conduire des objets à l'échelle nanométrique à s'auto-assembler en structures cibles de manière contrôlable.

Une autre classe importante d'auto-assemblage est l'assemblage dirigé sur le terrain. Un exemple de ceci est le phénomène de piégeage électrostatique. Dans ce cas, un champ électrique est appliqué entre deux nano-électrodes métalliques. Les particules présentes dans l'environnement sont polarisées par le champ électrique appliqué. En raison de l'interaction dipolaire avec le gradient de champ électrique, les particules sont attirées vers l'espace entre les électrodes. Des généralisations de ce type d'approche impliquant différents types de champs, par exemple, utilisant des champs magnétiques, utilisant des interactions capillaires pour des particules piégées aux interfaces, des interactions élastiques pour des particules en suspension dans des cristaux liquides ont également été rapportées.

Quel que soit le mécanisme conduisant à l'auto-assemblage, les gens adoptent des approches d'auto-assemblage pour la synthèse des matériaux pour éviter le problème d'avoir à construire des matériaux un bloc de construction à la fois. Il est important d'éviter les approches un par un, car le temps nécessaire pour placer des blocs de construction dans une structure cible est prohibitif pour les structures qui ont une taille macroscopique.

Une fois que les matériaux de taille macroscopique peuvent être auto-assemblés, ces matériaux peuvent trouver une utilisation dans de nombreuses applications. Par exemple, les nano-structures telles que les nano-espaces sous vide sont utilisées pour le stockage de l'énergie et la conversion de l'énergie nucléaire. Les matériaux accordables auto-assemblés sont des candidats prometteurs pour les électrodes de grande surface dans les batteries et les cellules photovoltaïques organiques, ainsi que pour les capteurs et filtres microfluidiques.

Caractéristiques distinctives

À ce stade, on peut affirmer que toute réaction chimique conduisant les atomes et les molécules à s'assembler en structures plus grandes, telles que les précipitations , pourrait tomber dans la catégorie de l'auto-assemblage. Cependant, il existe au moins trois caractéristiques distinctives qui font de l'auto-assemblage un concept distinct.

Commander

Premièrement, la structure auto-assemblée doit avoir un ordre plus élevé que les composants isolés, qu'il s'agisse d'une forme ou d'une tâche particulière que l'entité auto-assemblée peut effectuer. Ce n'est généralement pas vrai dans les réactions chimiques , où un état ordonné peut évoluer vers un état désordonné en fonction de paramètres thermodynamiques.

Interactions

Le second aspect important du rôle prédominant est l'auto-assemblage des interactions faibles (par exemple Van der Waals , capillaire , , des liaisons hydrogène ou des forces entropiques ) par rapport à plus covalent « traditionnel », ionique , ou des liaisons métalliques . Ces interactions faibles sont importantes dans la synthèse des matériaux pour deux raisons.

Premièrement, les interactions faibles occupent une place prépondérante dans les matériaux, en particulier dans les systèmes biologiques. Par exemple, ils déterminent les propriétés physiques des liquides, la solubilité des solides et l'organisation des molécules dans les membranes biologiques.

Deuxièmement, en plus de la force des interactions, des interactions avec des degrés de spécificité variables peuvent contrôler l'auto-assemblage. L'auto-assemblage qui est médié par les interactions d'appariement d'ADN constitue les interactions de la plus haute spécificité qui ont été utilisées pour conduire l'auto-assemblage. A l'autre extrême, les interactions les moins spécifiques sont peut-être celles fournies par les forces émergentes résultant de la maximisation de l'entropie .

Blocs de construction

La troisième caractéristique distinctive de l'auto-assemblage est que les blocs de construction ne sont pas seulement des atomes et des molécules, mais couvrent un large éventail de structures nano- et mésoscopiques , avec différentes compositions chimiques, fonctionnalités et formes.La recherche sur les formes tridimensionnelles possibles des micrites auto-assemblants examine les solides platoniciens (polyèdres réguliers). Le terme « micrite » a été créé par la DARPA pour désigner des microrobots de taille submillimétrique , dont les capacités d'auto-organisation peuvent être comparées à celles de la moisissure visqueuse . Des exemples récents de nouveaux blocs de construction comprennent les polyèdres et les particules inégales . Les exemples comprenaient également des microparticules avec des géométries complexes, telles que des hémisphériques, des dimères, des disques, des tiges, des molécules, ainsi que des multimères. Ces blocs de construction à l'échelle nanométrique peuvent à leur tour être synthétisés par des voies chimiques conventionnelles ou par d'autres stratégies d'auto-assemblage telles que les forces entropiques directionnelles . Plus récemment, des approches de conception inverse sont apparues où il est possible de corriger un comportement auto-assemblé cible et de déterminer un bloc de construction approprié qui réalisera ce comportement.

Thermodynamique et cinétique

L'auto-assemblage dans les systèmes microscopiques commence généralement à partir de la diffusion, suivie de la nucléation des graines, de la croissance ultérieure des graines et se termine à la maturation d'Ostwald . L'énergie libre motrice thermodynamique peut être soit enthalpique, soit entropique, soit les deux. Que ce soit dans le cas enthalpique ou entropique, l'auto-assemblage passe par la formation et la rupture de liens, éventuellement avec des formes de médiation non traditionnelles. La cinétique du processus d'auto-assemblage est généralement liée à la diffusion , pour laquelle le taux d'absorption/adsorption suit souvent un modèle d'adsorption de Langmuir qui, dans la concentration contrôlée par diffusion (solution relativement diluée), peut être estimé par les lois de diffusion de Fick . Le taux de désorption est déterminé par la force de liaison des molécules/atomes de surface avec une barrière d'énergie d'activation thermique. Le taux de croissance est la compétition entre ces deux processus.

Exemples

Des exemples importants d'auto-assemblage en science des matériaux incluent la formation de cristaux moléculaires , de colloïdes , de bicouches lipidiques , de polymères à phases séparées et de monocouches auto-assemblées . Le repliement de chaînes polypeptidiques en protéines et le repliement d'acides nucléiques en leurs formes fonctionnelles sont des exemples de structures biologiques auto-assemblées. Récemment, la structure macroporeuse tridimensionnelle a été préparée via l'auto-assemblage de dérivé de diphénylalanine dans des conditions cryogéniques, le matériau obtenu peut trouver une application dans le domaine de la médecine régénérative ou du système d'administration de médicaments. P. Chen et al. a démontré une méthode d'auto-assemblage à l'échelle microscopique utilisant l'interface air-liquide établie par Faraday wave comme modèle. Cette méthode d'auto-assemblage peut être utilisée pour générer divers ensembles de motifs symétriques et périodiques à partir de matériaux à l'échelle microscopique tels que des hydrogels , des cellules et des sphéroïdes cellulaires. Yasuga et al. ont démontré comment l'énergie interfaciale fluide entraîne l'émergence de structures périodiques tridimensionnelles dans les échafaudages à micropiliers. Myllymäki et al. ont démontré la formation de micelles, qui subissent un changement de morphologie en fibres et éventuellement en sphères, toutes contrôlées par le changement de solvant.

Propriétés

L'auto-assemblage étend le champ de la chimie visant à synthétiser des produits avec des propriétés d'ordre et de fonctionnalité, étendant les liaisons chimiques aux interactions faibles et englobant l'auto-assemblage de blocs de construction nanométriques à toutes les échelles de longueur. Dans la synthèse et la polymérisation covalentes, le scientifique relie les atomes entre eux dans n'importe quelle conformation souhaitée, qui ne doit pas nécessairement être la position énergétiquement la plus favorisée ; les molécules auto-assemblantes, d'autre part, adoptent une structure au minimum thermodynamique, trouvant la meilleure combinaison d'interactions entre les sous-unités mais ne formant pas de liaisons covalentes entre elles. Dans les structures auto-assemblées, le scientifique doit prédire ce minimum, pas simplement placer les atomes à l'endroit souhaité.

Une autre caractéristique commune à presque tous les systèmes auto-assemblés est leur stabilité thermodynamique . Pour que l'auto-assemblage ait lieu sans intervention de forces externes, le processus doit conduire à une énergie libre de Gibbs inférieure , ainsi les structures auto-assemblées sont thermodynamiquement plus stables que les composants simples non assemblés. Une conséquence directe est la tendance générale des structures auto-assemblées à être relativement exemptes de défauts. Un exemple est la formation de super - réseaux bidimensionnels composés d'un arrangement ordonné de sphères de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) de taille micrométrique , à partir d'une solution contenant les microsphères, dans laquelle le solvant est autorisé à s'évaporer lentement dans des conditions appropriées. Dans ce cas, la force motrice est l'interaction capillaire, qui provient de la déformation de la surface d'un liquide provoquée par la présence de particules flottantes ou immergées.

Ces deux propriétés – interactions faibles et stabilité thermodynamique – peuvent être rappelées pour rationaliser une autre propriété souvent rencontrée dans les systèmes auto-assemblés : la sensibilité aux perturbations exercées par l'environnement extérieur. Il s'agit de petites fluctuations qui altèrent les variables thermodynamiques qui peuvent conduire à des changements marqués de la structure et même la compromettre, que ce soit pendant ou après l'auto-assemblage. La nature faible des interactions est responsable de la flexibilité de l'architecture et permet des réarrangements de la structure dans le sens déterminé par la thermodynamique. Si les fluctuations ramènent les variables thermodynamiques à l'état de départ, la structure est susceptible de revenir à sa configuration initiale. Ceci nous amène à identifier une propriété supplémentaire d'auto-assemblage, qui n'est généralement pas observée dans les matériaux synthétisés par d'autres techniques : la réversibilité .

L'auto-assemblage est un processus qui est facilement influencé par des paramètres externes. Cette fonctionnalité peut rendre la synthèse assez complexe en raison de la nécessité de contrôler de nombreux paramètres libres. Pourtant, l'auto-assemblage a l'avantage qu'une grande variété de formes et de fonctions sur de nombreuses échelles de longueur peut être obtenue.

La condition fondamentale nécessaire pour que les blocs de construction à l'échelle nanométrique s'auto-assemblent en une structure ordonnée est la présence simultanée de forces répulsives à longue portée et d'attraction à courte portée.

En choisissant des précurseurs aux propriétés physico-chimiques adaptées, il est possible d'exercer un contrôle fin sur les processus de formation qui produisent des structures complexes. De toute évidence, l'outil le plus important lorsqu'il s'agit de concevoir une stratégie de synthèse pour un matériau, est la connaissance de la chimie des éléments de construction. Par exemple, il a été démontré qu'il était possible d'utiliser des copolymères diblocs avec différentes réactivités de blocs afin d'intégrer sélectivement des nanoparticules de maghémite et de générer des matériaux périodiques avec une utilisation potentielle comme guides d' ondes .

En 2008, il a été proposé que chaque processus d'auto-assemblage présente un co-assemblage, ce qui rend le premier terme impropre. Cette thèse est construite sur le concept d'ordonnancement mutuel du système auto-assemblant et de son environnement.

Auto-assemblage à l'échelle macroscopique

Les exemples les plus courants d'auto-assemblage à l'échelle macroscopique peuvent être observés aux interfaces entre les gaz et les liquides, où les molécules peuvent être confinées à l'échelle nanométrique dans le sens vertical et réparties latéralement sur de longues distances. Des exemples d'auto-assemblage aux interfaces gaz-liquide comprennent les figures respiratoires , les monocouches auto-assemblées et les films de Langmuir-Blodgett , tandis que la cristallisation des moustaches de fullerène est un exemple d'auto-assemblage macroscopique entre deux liquides. Un autre exemple remarquable d'auto-assemblage macroscopique est la formation de quasi-cristaux minces à une interface air-liquide, qui peuvent être constitués non seulement d'unités moléculaires inorganiques, mais également organiques.

Des processus d'auto-assemblage peuvent également être observés dans des systèmes de blocs de construction macroscopiques. Ces blocs de construction peuvent être propulsés de l'extérieur ou autopropulsés. Depuis les années 1950, les scientifiques ont construit des systèmes d'auto-assemblage présentant des composants centimétriques allant des pièces mécaniques passives aux robots mobiles. Pour les systèmes à cette échelle, la conception des composants peut être contrôlée avec précision. Pour certains systèmes, les préférences d'interaction des composants sont programmables. Les processus d'auto-assemblage peuvent être facilement surveillés et analysés par les composants eux-mêmes ou par des observateurs externes.

En avril 2014, un plastique imprimé en 3D a été associé à un "matériau intelligent" qui s'auto-assemble dans l'eau, aboutissant à une " impression 4D ".

Concepts cohérents d'auto-organisation et d'auto-assemblage

Les gens utilisent régulièrement les termes « auto-organisation » et « auto-assemblage » de manière interchangeable. À mesure que la science des systèmes complexes devient de plus en plus populaire, il est de plus en plus nécessaire de distinguer clairement les différences entre les deux mécanismes pour comprendre leur importance dans les systèmes physiques et biologiques. Les deux processus expliquent comment l'ordre collectif se développe à partir d'« interactions dynamiques à petite échelle ». L'auto-organisation est un processus de non-équilibre où l'auto-assemblage est un processus spontané qui conduit vers l'équilibre. L'auto-assemblage nécessite que les composants restent essentiellement inchangés tout au long du processus. Outre la différence thermodynamique entre les deux, il existe également une différence de formation. La première différence est ce qui « encode l'ordre global du tout » en auto-assemblage alors qu'en auto-organisation cet encodage initial n'est pas nécessaire. Un autre léger contraste fait référence au nombre minimum d'unités nécessaires pour passer une commande. L'auto-organisation semble avoir un nombre minimum d'unités alors que l'auto-assemblage n'en a pas. Les concepts peuvent avoir une application particulière en rapport avec la sélection naturelle . Finalement, ces modèles peuvent former une théorie de la formation de modèles dans la nature.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes