Skræddersyet optisk materiale fra DNA:Nano-vindeltrapper modificerer lyset

I menneskekroppen er genetisk information kodet i dobbeltstrengede deoxyribonukleinsyrebyggesten, det såkaldte DNA. Brug af kunstige DNA-molekyler, et internationalt hold af videnskabsmænd ledet af Cluster of Excellence Nanosystems Initiative München har produceret nanostrukturerede materialer, der kan bruges til at modificere synligt lys efter specifikation. Forskerne præsenterer deres resultater i det aktuelle nummer af det anerkendte videnskabelige tidsskrift Natur .

Der var stor spænding for nogle år siden efter opdagelsen af ​​DNA-origami-teknikken. Tilgangen kunne bruges til at bygge nanopartikler af en given form og størrelse. Imidlertid, rigtige applikationer, såsom nano-pincet, forblev uden for rækkevidde. Et internationalt team af forskere ledet af professor Tim Liedl fra Ludwig-Maximillians-Universitaet Muenchen og professor Friedrich Simmel fra Technische Universitaet Muenchen er nu lykkedes med at bygge nanopartikler ved hjælp af optisk aktive DNA-byggesten, der kan bruges til at modificere lys på meget specifikke måder. .

Kobling af lys og nanostrukturer kan bidrage væsentligt til at reducere størrelsen af ​​optiske sensorer til medicinske og miljømæssige applikationer, samtidig med at de bliver mere følsomme. Imidlertid, størrelsen af ​​en lysbølge, der strækker sig over 400 til 800 nanometer, er gigantisk i sammenligning med nanostrukturer på kun få nanometer. Men i teorien, når de mindste strukturer arbejder sammen på meget specifikke måder, selv små genstande kan interagere meget godt med lys. Desværre er det ikke muligt at fremstille de nødvendige tredimensionelle strukturer med nanoskala-præcision i tilstrækkelige mængder og renhed ved hjælp af konventionelle metoder.

"Med DNA origami, vi har nu fundet en metode, der opfylder alle disse krav. Det gør det muligt på forhånd og med nanometerpræcision at definere den tredimensionelle form af det objekt, der skabes, " siger professor Friedrich Simmel, der har stolen for biomolekylære systemer og bionanoteknologi ved TU München. Programmeret udelukkende ved hjælp af sekvensen af ​​grundlæggende byggeklodser, nano-elementerne folder sig selv ind i de ønskede strukturer." Friedrich Simmels team byggede med succes nano-vindeltrapper 57 nanometer høje og 34 nanometer i diameter med 10 nanometer guldpartikler fastgjort med jævne mellemrum.

På overfladen af ​​guldpartiklerne reagerer elektronerne med lysets elektromagnetiske felt. Den lille afstand mellem partiklerne sikrer, at guldpartiklerne i en DNA-streng arbejder sammen, derved forstærker interaktionerne mange gange. Professor Alexander O. Govorov, teoretisk fysiker ved Ohio State University i Athen, USA, havde forudsagt, at effekten skulle afhænge af afstanden, metalpartiklernes størrelse og sammensætning. Ved at bruge DNA-origami-metoden, München-fysikerne opbyggede nanostrukturer, hvori de varierede disse parametre.

Resultaterne af disse eksperimenter bekræfter deres kollegers forudsigelser i enhver henseende:Vandige opløsninger af højre- og venstrehåndede nano-vindeltrapper adskiller sig synligt i deres interaktion med cirkulært polariseret lys. Vindeltrapper med store partikler viser en væsentlig stærkere optisk respons end dem med små partikler. Den kemiske sammensætning af partiklerne havde også en stor effekt:Når guldpartiklerne blev belagt med et lag sølv, den optiske resonans skiftede fra det røde til det kortere bølge blå domæne.

Ved at kombinere teoretiske beregninger og DNA-origamiens muligheder, forskerne er nu i stand til at producere nano-optiske materialer med præcist specificerede egenskaber. Professor Tim Liedl beskriver den vej, forskningen kan følge:"Vi vil nu undersøge, om vi kan bruge denne metode til at påvirke brydningsindekset for de materialer, vi fremstiller. Materialer med et negativt brydningsindeks kunne bruges til at udvikle nye optiske linsesystemer - så -kaldte superlinser."