L'auto-assemblage de particules qui se modifient activement
On trouve dans la nature de nombreux cas d'auto-assemblage, qui bâtissent des composés de taille nanométrique à partir de blocs de base adaptables et reconfigurables. La duplication de ces capacités est le Graal des ingénieurs. Jusqu'ici, la majorité des études ont concerné des composants dont les formes et les interactions, statiques, ne changent pas durant le processus d'assemblage. Les scientifiques du projet ACTSA («Active self-assembly»), financé par l'UE, vont plus loin afin de mieux comprendre l'auto-assemblage actif. Pour cela, ils conduisent des études théoriques, des simulations par ordinateur et des expériences. Le problème de l'empilement compact consiste à trouver la méthode la plus dense pour empiler des objets dans l'espace. Depuis des millénaires, il passionne et intrigue les philosophes et les scientifiques, mais aussi les marchands de fruits! Aujourd'hui, le problème de l'empilement concerne des objets avec des échelles aussi variées que les batteries, les catalyseurs ou encore l'auto-assemblage de nanoparticules, de colloïdes et des molécules biologiques. En dépit du fait que les propriétés de systèmes aussi nombreux dépendent de l'empilement des composants de forme différente, il n'existe pas de méthode générale pour empiler des objets en fonction de leur forme. Les chercheurs du projet ont conduit une étude du rapport entre l'empilage et la forme des objets, portant sur plus de 55 000 polyèdres. Les diagrammes résultants de densité peuvent servir à orienter des expériences utilisant la forme et l'empilement, de la même façon que les diagrammes de phase sont essentiels en chimie. D'ailleurs, les propriétés des particules révèlent pourquoi il est possible d'assembler certains cristaux, de passer de l'un à l'autre, ou de rester coincé dans un piège cinétique. L'entropie module l'ordonnancement des molécules et le comportement de phase des colloïdes (des particules d'une substance en suspension dans une autre). Les scientifiques du projet ACTSA ont quantifié les forces entropiques directionnelles qui tendent à aligner des particules voisines. Ils ont notamment conçu un cadre pour quantifier le rôle de la forme dans l'empilage ainsi que dans l'auto-assemblage de systèmes expérimentaux où d'autres forces interviennent. Enfin, ils ont montré que ce même mécanisme se rencontre dans un large éventail de systèmes. Les chercheurs ont aussi étudié de nouveaux phénomènes dans des systèmes de particules rotatives, soumises en permanence à un couple interne dans le sens horaire ou antihoraire. Ils ont montré que le mouvement actif de corps rigides (et par ailleurs sans interaction) induit une interaction efficace qui favorise la rotation dans la même direction. Ceci peut conduire à des comportements d'auto-organisation et de coopération, impossibles dans des systèmes en équilibre (non soumis à des forces). Les travaux effectués à ce jour ont conduit à trois publications. Le projet devrait apporter une contribution majeure à la compréhension des forces qui déterminent l'auto-assemblage dans ces systèmes de particules aux interactions complexes. Ceci pourrait aider les ingénieurs et les concepteurs à créer des systèmes de matériaux dotés d'une capacité d'auto-assemblage biomimétique, ouvrant la voie à une nouvelle génération de nanodispositifs.
Mots‑clés
Auto-assemblage, particules, médecine, science des matériaux, forces entropiques
