Monocouches de Langmuir imagés par Microscopie à Force Atomique en phase liquide – SLAM-AFM

Ce projet vise à révolutionner la microscopie à l'interface air/eau, un substrat crucial pour l'auto-assemblage de divers matériaux, allant des simples tensioactifs et nanoparticules aux structures polymériques et biomoléculaires complexes. Comprendre l'organisation et la dynamique de ces matériaux auto-assemblés est essentiel pour faire progresser les applications technologiques. Cependant, les techniques traditionnelles telles que la diffusion des rayons X et des neutrons offrent une haute résolution dans l'espace réciproque, mais souffrent d'une acquisition de données lente, d'une moyenne sur l'empreinte du faisceau et de limitations supplémentaires lors du traitement de la diffusion de peu de molécules. Les techniques optiques sont généralement employées pour caractériser les interfaces liquides dans l'espace réel, mais elles manquent de résolution spatiale et la Super Résolution rencontre des défis lorsqu'elle est appliquée aux interfaces planaires air/eau.

Notre objectif est d'appliquer la Microscopie à Force Atomique (AFM), qui peut fournir une résolution nanométrique dans l'espace réel, à l'étude des monocouches de Langmuir in-situ à l'interface air/eau. Pour ce faire, le premier objectif de notre projet de recherche consiste à concevoir et construire un AFM intégré dans une cuve de Langmuir (Langmuir-AFM), permettant l'étude de films minces auto-assemblés in-situ. En raison de plusieurs contraintes physiques, l'acquisition d'images AFM à de telles interfaces n'a jamais été rapportée et reste pratiquement impossible. Nous proposons d'immerger le cantilever AFM dans la phase aqueuse, inversé verticalement par rapport aux AFM conventionnels: de cette manière, nous éviterons la formation du cou pontant, modifiant la morphologie de l'interface et empêchant l'acquisition d'images, se produisant lorsque la pointe approche de l'interface air/eau depuis la phase gazeuse. L'absence de cou pontant, combinée à la maîtrise de l'amplitude des ondes de gravité, permettra l'utilisation de cantilevers souples et petits, permettant une acquisition à haute vitesse et la caractérisation de la dynamique des films. Avec un tel microscope, nous visons à générer des images de nanomatériaux à la surface de l'eau avec la plus haute résolution spatiale jamais atteinte, gagnant plus d'un ordre de grandeur par rapport aux techniques optiques. De plus, le Langmuir-AFM offrira des avancées significatives en termes de résolution temporelle par rapport aux méthodes traditionnelles de diffusion des rayons X et des neutrons, permettant l'étude des processus dynamiques à l'interface.

Le deuxième objectif de notre projet de recherche se concentre sur les études difficiles de monocouches de Langmuir, à l'interface air/eau, caractérisées par des structures complexes qui échappent à la caractérisation par les techniques existantes, et représentant donc des cas d'étude idéaux pour valider les capacités du Langmuir-AFM. Comme première application, nous caractériserons les monocouches de Langmuir auto-assemblées, formées par mélange de FnHm, à l'interface air/eau, où le GISAXS ne peut pas discriminer entre deux configurations structurelles des hémimicelles. L'AFM, avec sa haute résolution spatiale dans l'espace réel, permettra de discriminer entre ces agencements structurels. Ensuite, nous nous concentrerons sur l'insertion de petits peptides amphipathiques (hémolysine) au sein d'une monocouche lipidique, caractérisant la cinétique d'insertion à haute résolution temporelle.

Notre instrument ouvrira la voie à de nouvelles lignes de recherche impliquant des films minces auto-assemblés à l'interface air/eau dans plusieurs disciplines scientifiques, allant de la physique et de la chimie (polymères auto-assemblés, nanoparticules, tensioactifs) à la biochimie (lipides, protéines) et à la biologie.