VIRO-Lego — Auto-organisation de biocolloïdes passifs et actifs: théorie et expériences.

L’auto-assemblage de nanoparticules est un processus fondamental dans la fabrication de matériaux fonctionnels aux applications variées, de la photonique aux afficheurs en passant par les capteurs. L'essentiel de la recherche a surtout porté jusqu'à présent sur les nanoparticules sphériques, alors que les mécanismes d’auto-assemblage ainsi que l'éventail des superstructures formées par des particules non sphériques ont fait l’objet de beaucoup moins de travaux. Pourtant, on peut s'attendre dans le cas des particules anisotropes présentant, de surcroît, des interactions directionnelles spécifiques, à une phénoménologie de symétries et de structures auto-assemblées encore plus riche et plus variée. Ce projet vise ainsi à concevoir de nouveaux colloïdes hybrides anisotropes à base de virus fd, en introduisent des "patchs" dont les interactions sont modulables, en termes d’intensité, portée et réversibilité. Pour ce faire, une nanoparticule métallique, dont la surface est décorée d'un polymère thermosensible d'épaisseur ajustable, sera greffée à l’une des extrémités du virus. La présence d’une nanobille en bout du virus contribuera à briser la symétrie avant-arrière de la particule et à créer une polarité à l’échelle microscopique, tandis que la présence du polymère permettra le contrôle réversible avec la température des interactions attractives entre objets. La présence de nanoparticules métalliques à l'une des extrémités des virus permettra également à ces systèmes hybrides d'être actifs, i.e. auto-propulsés en présence de carburant (micronageurs catalytiques) ou par effet thermophorétique, créant ainsi une nouvelle classe de particules actives en forme de bâtonnet et à interactions polaires. Dans ce projet, nous explorerons les propriétés d’auto-assemblage de ces systèmes hybrides passifs et actifs, en combinant des approches expérimentales et des outils de modélisation qui permettent d'étudier ces systèmes à la fois à l'échelle de la particule unique, ainsi qu’à l’échelle mésoscopique, en étudiant leur comportement de phases. Cela se fera à la fois à l'équilibre thermodynamique, et hors d’équilibre où des phénomènes émergents sont attendus pour les systèmes actifs. Une compréhension microscopique des phénomènes observés sera réalisée par des simulations numériques en mimant les systèmes expérimentaux par des interactions effectives de type "coarse-grained" entre particules. Pour l’ensemble de ces systèmes actifs et passifs envisagés, l'association de l’anisotropie de forme, de la polarité des particules, et des interactions régio-spécifiques devraient ainsi générer des superstructures et des auto-assemblages variés, avec un niveau de complexité et de fonctionnalités beaucoup plus élevé que ce qui pourrait être atteint avec des particules centro-symétriques. Le projet viro-LEGO, à fort caractère interdisciplinaire, repose sur l’association originale d'ingénierie biologique (fabrication de virus fonctionnalisés), de physique expérimentale de la matière molle (auto-organisation des systèmes) et de modélisation théorique avec la détermination des relations structures-propriétés. Les résultats de ce projet devraient ouvrir des perspectives dans le domaine de la conception et de la post-fonctionnalisation des particules anisotropes, afin d'obtenir un meilleur contrôle dans l'élaboration des matériaux auto-assemblés et la structuration des fluides complexes en présence de dopants actifs anisotropes. La connaissance détaillée des mécanismes d'auto-assemblage des briques élémentaires aux interactions modulables et régio-spécifiques (conférant par exemple une polarité locale) contribueront non seulement à la compréhension fondamentale des mécanismes de la matière active et d'auto-organisation en mésophases, mais ces systèmes à base de virus fonctionnalisés présentent également un fort intérêt en science des matériaux par la formulation d’une nouvelle classe de cristaux liquides hybrides fonctionnels aux propriétés modulables.