Opbygning af krystallinske materialer fra nanopartikler og DNA

Naturen er en mesterbygger. Ved at bruge en bottom-up tilgang, naturen tager små atomer og, gennem kemisk binding laver krystallinske materialer, som diamanter, silicium og endda bordsalt. I dem alle, krystallernes egenskaber afhænger af typen og arrangementet af atomer i det krystallinske gitter.

Nu, et team af forskere fra det nordvestlige universitet har lært, hvordan man topper naturen ved at bygge krystallinske materialer fra nanopartikler og DNA, det samme materiale, der definerer den genetiske kode for alle levende organismer.

Brug af nanopartikler som "atomer" og DNA som "bindinger, "forskerne har lært, hvordan man skaber krystaller med partiklerne arrangeret i de samme former for atomgitterkonfigurationer som nogle findes i naturen, men de har også bygget helt nye strukturer, der ikke har nogen naturligt forekommende mineralsk modstykke.

De grundlæggende designregler, som de nordvestlige videnskabsmænd har etableret for denne tilgang til nanopartikelsamling lover muligheden for at skabe en række nye materialer, der kan være nyttige i katalyse, elektronik, optik, biomedicin og energiproduktion, opbevaring og konverteringsteknologier.

Den nye metode og designregler til fremstilling af krystallinske materialer ud fra nanostrukturer og DNA udgives den 14. oktober af tidsskriftet Videnskab .

"Vi bygger en ny slags periodisk tabel, " sagde professor Chad A. Mirkin, der ledede forskningen. "Ved at bruge disse nye designregler og nanopartikler som 'kunstige atomer, 'vi har udviklet metoder til kontrolleret krystallisering, der er, i mange henseender, mere kraftfuld end den måde, naturen og kemikere fremstiller krystallinske materialer ud fra atomer. Ved at kontrollere størrelsen, form, type og placering af nanopartikler inden for et givet gitter, vi kan lave helt nye materialer og arrangementer af partikler, ikke bare hvad naturen dikterer. "

Mirkin er George B. Rathmann-professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences og professor i medicin, kemisk og biologisk teknik, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik og direktør for Northwestern's International Institute for Nanotechnology (IIN).

"Når vi har en bestemt type gitter, " sagde Mirkin, "partiklerne kan flyttes tættere på hinanden eller længere fra hinanden ved at ændre længden af ​​det sammenkoblende DNA, og giver derved næsten uendelig afstemning."

"Dette arbejde er resultatet af et tværfagligt samarbejde, der koblede syntetisk kemi med teoretisk modelbygning, "sagde medforfatter George C. Schatz, en verdenskendt teoretiker og Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi ved Northwestern. "Det var frem og tilbage mellem syntese og teori, der var afgørende for udviklingen af ​​designreglerne. Samarbejde er et særligt aspekt af forskningen på Northwestern, og det fungerede meget effektivt for dette projekt. "

I undersøgelsen, forskerne starter med to opløsninger af nanopartikler belagt med enkeltstrenget DNA. De tilføjer derefter DNA-strenge, der binder til disse DNA-funktionaliserede partikler, som derefter præsenterer et stort antal DNA "klæbrige ender" i en kontrolleret afstand fra partikeloverfladen; disse klæbrige ender binder sig derefter til de klæbrige ender af tilstødende partikler, danner et makroskopisk arrangement af nanopartikler.

Forskellige krystalstrukturer opnås ved hjælp af forskellige kombinationer af nanopartikler (med varierende størrelser) og DNA -linkerstrenge (med kontrollerbare længder). Efter en proces med blanding og opvarmning, de samlede partikler går fra en oprindeligt uordnet tilstand til en, hvor hver partikel er præcist placeret i henhold til en krystalgitterstruktur. Processen er analog med, hvordan ordnede atomkrystaller dannes.

Forskerne rapporterer om seks designregler, der kan bruges til at forudsige den relative stabilitet af forskellige strukturer for et givet sæt af nanopartikelstørrelser og DNA-længder. I avisen, de bruger disse regler til at forberede 41 forskellige krystalstrukturer med ni distinkte krystalsymmetrier. Imidlertid, designreglerne skitserer en strategi til uafhængigt at justere hver af de relevante krystallografiske parametre, inklusive partikelstørrelse (varieret fra 5 til 60 nanometer), krystalsymmetri og gitterparametre (som kan variere fra 20 til 150 nanometer). Det betyder, at disse 41 krystaller kun er et lille eksempel på det næsten uendelige antal gitter, der kunne oprettes ved hjælp af forskellige nanopartikler og DNA -tråde.

Mirkin og hans team brugte guld nanopartikler i deres arbejde, men bemærker, at deres metode også kan anvendes på nanopartikler af andre kemiske sammensætninger. Både typen af ​​samlet nanopartikel og symmetrien af ​​den samlede struktur bidrager til egenskaberne af et gitter, gør denne metode til et ideelt middel til at skabe materialer med forudsigelige og kontrollerbare fysiske egenskaber.

Mirkin mener, at snart en dag, Der vil blive skabt software, der gør det muligt for forskere at vælge de partikel- og DNA -par, der kræves for at lave næsten enhver struktur efter behov.