Un matériau qui s'auto-assemble

L’auto-assemblage regroupe l’ensemble des phénomènes par lesquels des molécules, ou des structures chimiques relativement simples, forment des arrangements à plus grande échelle.

L’histoire

C’était la fin de la journée. Au mois de mars, il y a deux ans. Par curiosité scientifique, simplement, nous avons braqué notre microscope sur des sphères de polymère nanométriques autoformant un réseau. Cette dynamique d’auto-organisation est bien connue depuis une trentaine d’années, mais nous ne l’avions jamais vue en temps réel. On a l’habitude, en chimie, de ne pas voir des phénomènes que, par ailleurs, nous comprenons très bien… Et là, voilà que cet auto-assemblage se déroulait sous nos yeux.

Nous avons été très surpris et fascinés. Surpris de voir que le phénomène se produisait aussi rapidement. Fascinés d'observer cette danse de nanosphères se transformant en un matériau si important pour nos recherches, en particulier pour comprendre ce qui se passe à plus grande échelle. En effet, auparavant, nous regardions des sections micrométriques de la surface avec nos microscopes alors que le processus était terminé, et sans savoir si cette image était représentative de toute la surface.

La vidéo

La vidéo montre l’auto-assemblage d'une monocouche de nanosphères de polymère. Pour réaliser cette expérience, on introduit ceux-ci dans un solvant. Puis, on dépose la solution sur une plaque de verre. L'évaporation du solvant force ensuite la formation de la monocouche, qui adopte alors une orientation cristalline hexagonale. Cette orientation est en fait l’arrangement le plus compact qu'on puisse obtenir avec des sphères de taille identique.

L’auto-assemblage regroupe l’ensemble des phénomènes par lesquels des molécules ou structures chimiques relativement simples forment des arrangements à plus grande échelle. Un exemple commun d’auto-assemblage est la formation de micelles¹ à partir des surfactants dans les savons. Ces micelles servent à extraire les corps gras tels que les lipides et donc, à nettoyer les surfaces.

Étape 1  Diffusion lente

• Les nanosphères baignent librement dans le solvant, en attente de son évaporation.

Étape 2 Formation d’une multicouche à l’extérieur de la goutte

• D'abord, sous l’impact du dépôt de la goutte sur la plaque de verre, une minorité de sphères s’accumulent en multicouches et forment un cerne.

Étape 3 Formation d’une monocouche sur l’ensemble de la surface

• Puis, la majorité des sphères prennent leur place en monocouche, s’assemblant de manière autonome. 

Étape 4 Réarrangement de la monocouche en cristal hexagonal

• Enfin, l’empaquement se produit, soit l’arrangement le plus compact possible sur une surface donnée. Dans la vidéo, on voit très bien les sphères s’entasser et se réorganiser au fur et à mesure que se stabilise la monocouche.

La recherche

Les recherches de mon laboratoire portent sur la construction de couches minces. Fondamentalement, nous cherchons à comprendre les propriétés des structures métalliques à l’échelle nano.

Du côté appliqué, nous travaillons à la production de biocapteurs. Ces outils de bioanalyse permettent de détecter des agents pathogènes, des agents de chimiothérapie ou des marqueurs de maladies chez l’humain, de même que des contaminants présents dans l’environnement. Nous visons à mettre au point des biocapteurs portatifs et utilisables directement dans les échantillons sanguins pour les applications biomédicales, et dans les eaux non traitées pour les applications environnementales.

Un biocapteur est un dispositif comprenant un élément de reconnaissance, tel un anticorps servant à détecter le cancer, et une mesure physicochimique, telle la coloration de l’or. Par exemple, pour agir comme « mesure », les nanosphères de polymère de la vidéo doivent être recouvertes d’une nanocouche métallique.

En nous servant des nanosphères en tant que masque, nous arrivons à créer des surfaces avec des arrangements différents tels que des sphères, mais également des triangles dorés et des films d’or troués.

Dans notre laboratoire, nous utilisons les propriétés optiques de l'or pour détecter certains types de cancer, dont ceux de la prostate et du sein. En changeant de couleur, l’or signale la présence de molécules spécifiques s’assemblant à sa surface, et ce, de manière très précise. Les sphères passent au rouge, du pâle au foncé, indiquant ainsi la quantité de molécules.

Ces propriétés exceptionnelles de l’or nous permettent ainsi de dépister la présence de maladies, d’effectuer un suivi rigoureux des patients atteints du cancer et de procurer des outils de mesures aux environnementalistes, et ceci, avec un temps de mesure de quelques minutes seulement. Pour atteindre ces objectifs, mon groupe de recherche travaille présentement à combiner ces matériaux composés d’or à de nouvelles façons de rendre les surfaces fonctionnelles avec les anticorps – tout en concevant des instruments portables, de la taille d’un lecteur de cartes de crédit.

• 1Les micelles sont des sphères de molécules avec des têtes hydrophiles et un cœur hydrophobique permettant d’extraire les corps gras.