Nouvelles perspectives sur la dynamique des matériaux auto-assemblés
La nature utilise l’auto-assemblage pour construire des matériaux moléculaires, tels que les filaments protéiques cellulaires ou les microtubules, qui s’adaptent et réagissent de manière dynamique à des stimuli spécifiques tels que les changements de température et les signaux chimiques. La fabrication de matériaux synthétiques auto-assemblés possédant des propriétés similaires pourrait s’avérer très prometteuse pour un large éventail d’applications technologiques.
Auto-assemblage moléculaire et structures supramoléculaires
Le projet DYNAPOL, soutenu par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), s’est donné pour objectif d’étudier les mécanismes moléculaires qui contrôlent les propriétés des matériaux auto-assemblés dynamiques, une première étape essentielle vers la conception de nouveaux types de matériaux destinés à diverses applications. L’auto-assemblage consiste à concevoir des unités plus petites qui, dans des conditions données, se reconnaissent, se connectent et se développent. Une caractéristique intéressante qui apparaît lorsque de tels processus d’auto-assemblage se produisent dans certains environnements et sous certaines conditions est que les matériaux obtenus existent dans un état intrinsèquement dynamique. «C’est un peu comme jouer avec des Lego... mais il faut imaginer des briques Lego capables de s’auto-organiser et de se reconfigurer de manière autonome», explique Giovanni Pavan, coordinateur du projet DYNAPOL à l’Université polytechnique de Turin(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) en Italie. «Les matériaux fabriqués de cette manière peuvent présenter des propriétés intéressantes, telles que des comportements réactifs, une adaptabilité et une recyclabilité (tout comme avec les Lego, il est possible de démonter des structures auto-assemblées pour en récupérer les composants).»
Se concentrer sur la dynamique
Dans le cadre du projet DYNAPOL, Giovanni Pavan souhaitait se concentrer sur l’importance de la dynamique dans les structures auto-assemblées. «Dans ce domaine, on sait que la dynamique est fondamentale pour les propriétés des matériaux supramoléculaires», ajoute-t-il. «Cependant, j’ai eu le sentiment qu’il manquait encore une véritable compréhension des facteurs qui contrôlent cette dynamique.» L’objectif du projet était donc de simuler non seulement des structures ou des processus d’auto-assemblage, mais aussi les transitions dynamiques et la communication qui se produisent entre les matériaux auto-assemblés au niveau moléculaire. L’un des principaux défis consistait à maintenir la résolution nécessaire pour observer ce qui se passe au niveau moléculaire et même submoléculaire tout en étudiant la dynamique supramoléculaire de ces systèmes. Dans le cadre du projet DYNAPOL, divers outils, notamment la modélisation multi-échelle, les simulations avancées, l’apprentissage automatique et le développement de logiciels, ont été utilisés pour étudier divers systèmes d’auto-assemblage. De nouvelles méthodes et de nouveaux outils ont également été développés pour détecter les fluctuations dans tout type de matériaux s’auto-assemblant de manière dynamique, et pour utiliser les données afin de mieux comprendre les facteurs moléculaires qui contrôlent leurs propriétés dynamiques bio-inspirées.
Nouveaux matériaux pour diverses applications
L’un des principaux résultats de DYNAPOL a été de montrer comment les systèmes dynamiques d’auto-assemblage se comportent comme des systèmes complexes. «Cela signifie que des propriétés émergent en leur sein qui ne peuvent pas être facilement attribuées aux propriétés des unités fondamentales, mais plutôt aux communications moléculaires et au désordre qui fluctuent dynamiquement en leur sein», explique Giovanni Pavan. Le projet a eu une influence considérable dans le domaine de la science des matériaux, avec plus de 60 articles scientifiques publiés dans des revues prestigieuses. Les résultats sont également susceptibles d’être appliqués dans la vie réelle. Les domaines où la dynamique joue un rôle central – des batteries et de l’imagerie à l’administration de médicaments et aux matériaux adaptatifs – explorent les possibilités offertes par les nouveaux types de matériaux. «Imaginez, par exemple, une crème médicale ou une émulsion que vous appliquez sur votre peau», explique Giovanni Pavan, «composée de particules auto-assemblées contenant des médicaments qui peuvent se lier et scanner de manière autonome les surfaces, à la recherche d’une surexpression de récepteurs spécifiques (ou cibles) et ne libérant les médicaments que là où et quand ils sont nécessaires. C’est ce que fait naturellement notre système immunitaire. Nous pouvons nous inspirer de la nature et apprendre à utiliser l’auto-assemblage pour construire quelque chose d’intelligent basé sur de nouveaux types de matériaux dynamiques.»