Des scientifiques créent en laboratoire un nouvel état de la matière, cristallin et fluide à la fois

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Il y a plus de 20 ans, les chercheurs ont prédit qu’avec une densité suffisamment élevée, certaines particules de matière formeraient un nouvel état de la matière présentant les propriétés à la fois des solides cristallins et des liquides en écoulement. Des scientifiques du Forschungszentrum Jülich, de l’Université de Siegen et de l’Université de Vienne ont maintenant réussi à créer cet état en laboratoire. Leur concept expérimental ouvre la possibilité d’un développement ultérieur et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles découvertes dans le monde des états complexes de la matière.


Les cristaux en grappe sont constitués d’un noyau de polymères organiques entourés de molécules d’ADN (à droite). Pressés ensemble (à gauche), ils présentent à la fois des propriétés de cristaux et de liquides. © Natasa Adzic, Université de Vienne.

Les cristaux de cluster sont des structures périodiques avec des sites de réseau occupés par plusieurs blocs de construction qui se chevauchent, présentant une occupation de site fluctuante, dont la valeur attendue dépend des conditions thermodynamiques. Leur assemblage à partir d’unités atomiques ou mésoscopiques est recherché depuis longtemps, mais sa réalisation expérimentale restais encore insaisissable. Grâce à aux grands efforts de recherche, l’équipe a finalement pu réfuter une hypothèse intuitive selon laquelle, pour que deux particules de matière fusionnent et forment des unités plus grandes (c’est-à-dire des agrégats ou des amas), elles doivent être attirées l’une par l’autre. Dès le début du siècle, une équipe de physiciens de la matière molle dirigée par Christos Likos de l’Université de Vienne avait prédit, sur la base de considérations théoriques, que cela ne devait pas nécessairement être le cas. Ils ont suggéré que des particules purement répulsives pourraient également former des amas, à condition qu’elles se chevauchent complètement et que leur répulsion remplisse certains critères mathématiques.

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Depuis lors, d’autres travaux théoriques et informatiques ont démontré que s’ils sont comprimés sous pression externe, de tels amas développent un ordre cristallin d’une manière similaire aux matériaux conventionnels tels que le cuivre et l’aluminium. En termes simples, un ordre cristallin signifie une structure de réseau périodique dans laquelle toutes les particules ont des positions fixes. Contrairement aux métaux, cependant, les particules qui forment les cristaux d’amas sont très mobiles et sautent continuellement d’un site de réseau à l’autre. Cela donne à ces solides des propriétés similaires à celles des liquides. Chaque particule sera trouvée à un certain point sur chaque site du réseau.

Particules avec une structure en forme de pompon

Il s’est avéré difficile de produire des particules ayant les caractéristiques nécessaires pour la détection des cristaux d’amas. Cependant, Emmanuel Stiakakis du Forschungszentrum Jülich et ses collègues ont maintenant réussi à atteindre cet objectif en étroite collaboration avec des théoriciens de Vienne et des chimistes des polymères de Siegen. Les chercheurs ont pu produire des particules hybrides avec une structure en forme de pompon. Le noyau de ces particules est constitué de polymères organiques auxquels sont attachées des molécules d’ADN et qui ressortent dans tous les sens comme les fils d’un pompon. Cette structure permet aux molécules d’être poussées loin les unes dans les autres et ainsi d’être suffisamment comprimées. Dans le même temps, la combinaison d’une répulsion électrostatique de composants d’ADN naturellement chargés et d’une faible interaction de polymères au centre des constructions assure l’interaction globale nécessaire.

“L’ADN est particulièrement bien adapté à nos intentions, car il peut être assemblé relativement facilement dans la forme et la taille souhaitées grâce au mécanisme d’appariement de bases Watson-Crick. En combinaison avec des noyaux polymères, la forme et la répulsion des particules hybrides peuvent être affinées et différentes variations peuvent être produites relativement rapidement”, explique Stiakakis, qui mène des recherches à l’Institut de traitement de l’information biologique du Forschungszentrum Jülich. Le physicien titulaire d’un doctorat dans le domaine de la chimie physique utilise depuis longtemps ces molécules en hélice pour étudier les aspects de la matière molle auto-assemblante.

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“Après des efforts considérables et en appliquant de nombreuses méthodes expérimentales, y compris la synthèse et la caractérisation biochimiques ainsi que la diffusion des rayons X et la diffusion de la lumière, nous avons maintenant pu mener à bien une recherche de plus de 20 ans de cristaux en grappes” dit un Likos ravi. Le physicien théoricien de la Faculté de physique de l’Université de Vienne anticipe désormais la découverte d’autres états complexes de la matière, qui seront formés par les nouveaux agrégats macromoléculaires.

Voir la publication

Stiakakis, E., Jung, N., Adžić, N. et al. Self assembling cluster crystals from DNA based dendritic nanostructures. Nat Commun 12, 7167 (2021).

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