Bland og match:Blanding af nanopartikler for at lave multifunktionelle materialer

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har udviklet en generel tilgang til at kombinere forskellige typer nanopartikler til fremstilling af kompositmaterialer i stor skala. Teknikken, beskrevet i et papir udgivet online af Natur nanoteknologi den 20. oktober, 2013, åbner mange muligheder for at blande og matche partikler med forskellige magnetiske, optisk, eller kemiske egenskaber til at danne nye, multifunktionelle materialer eller materialer med forbedret ydeevne til en lang række potentielle anvendelser.

Tilgangen drager fordel af den attraktive parring af komplementære strenge af syntetisk DNA-baseret på molekylet, der bærer den genetiske kode i sin sekvens af matchede baser kendt med bogstaverne A, T, G, og C. Efter belægning af nanopartiklerne med en kemisk standardiseret "konstruktionsplatform" og tilføjelse af forlængermolekyler, som DNA let kan binde til, forskerne knytter komplementære laboratoriedesignede DNA-strenge til de to forskellige slags nanopartikler, de ønsker at forbinde. Den naturlige parring af de matchende tråde "samler" derefter partiklerne til et tredimensionelt array bestående af milliarder af partikler. Variation af længden af ​​DNA-linkerne, deres overfladetæthed på partikler, og andre faktorer giver forskerne mulighed for at kontrollere og optimere forskellige typer af nydannede materialer og deres egenskaber.

"Vores undersøgelse viser, at DNA-drevne samlingsmetoder muliggør by-design skabelse af storskala 'supergitter' nanokompositter fra en bred vifte af nanokomponenter, der nu er tilgængelige - inklusive magnetiske, katalytisk, og fluorescerende nanopartikler, " sagde Brookhaven fysiker Oleg Gang, der ledede forskningen ved Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Dette fremskridt bygger på vores tidligere arbejde med enklere systemer, hvor vi demonstrerede, at parring af nanopartikler med forskellige funktioner kan påvirke de enkelte partiklers ydeevne, og det tilbyder ruter til fremstilling af nye materialer med kombineret, forbedret, eller endda helt nye funktioner."

Fremtidige applikationer kunne omfatte kvanteprikker, hvis glødende fluorescens kan styres af et eksternt magnetfelt til nye typer afbrydere eller sensorer; guld nanopartikler, der synergistisk forbedrer lysstyrken af ​​kvanteprikkers fluorescerende glød; eller katalytiske nanomaterialer, der absorberer de "gifte", der normalt forringer deres ydeevne, sagde Gang.

"Moderne nanosyntesemetoder giver videnskabsmænd forskellige typer nanopartikler fra en bred vifte af atomare elementer, " sagde Yugang Zhang, avisens første forfatter. "Med vores tilgang, forskere kan udforske parringer af disse partikler på en rationel måde."

Parring af uens partikler giver mange udfordringer, som forskerne undersøgte i arbejdet, der førte til denne artikel. For at forstå de grundlæggende aspekter af forskellige nydannede materialer brugte de en bred vifte af teknikker, herunder røntgenspredningsundersøgelser ved Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS) og spektroskopi og elektronmikrokopi ved CFN.

For eksempel, forskerne undersøgte effekten af ​​partikelform. "I princippet, forskelligt formede partikler ønsker ikke at eksistere sammen i et gitter, " sagde Gang. "De har enten en tendens til at adskilles i forskellige faser som olie og vand, der nægter at blande eller danne uordnede strukturer." Forskerne opdagede, at DNA ikke kun hjælper partiklerne med at blande sig, men det kan også forbedre orden for sådanne systemer, når der bruges en tykkere DNA-skal omkring partiklerne.

De undersøgte også, hvordan DNA-parringsmekanismen og andre iboende fysiske kræfter, såsom magnetisk tiltrækning blandt partikler, kan konkurrere under monteringsprocessen. For eksempel, magnetiske partikler har en tendens til at klumpe sig til at danne aggregater, der kan hindre bindingen af ​​DNA fra en anden type partikel. "Vi viser, at kortere DNA-strenge er mere effektive til at konkurrere mod magnetisk tiltrækning, " sagde Banden.

For den særlige sammensætning af guld og magnetiske nanopartikler, de skabte, forskerne opdagede, at anvendelse af et eksternt magnetfelt kunne "skifte" materialets fase og påvirke rækkefølgen af ​​partiklerne. "Dette var bare en demonstration af, at det kan lade sig gøre, men det kunne have en applikation - måske magnetiske kontakter, eller materialer, der muligvis kan ændre form efter behov, " sagde Zhang.

Den tredje grundlæggende faktor, som forskerne undersøgte, var, hvordan partiklerne blev ordnet i supergitter-arrays:Indtager en type partikel altid den samme position i forhold til de andre typelignende drenge og piger, der sidder på skiftende pladser i en biograf - eller er de blandet mere tilfældigt? "Dette er, hvad vi kalder en kompositionsorden, hvilket er vigtigt for eksempel for kvanteprikker, fordi deres optiske egenskaber - f.eks. deres evne til at gløde afhænger af, hvor mange guldnanopartikler der er i det omgivende miljø, " sagde Gang. "Hvis du har kompositionsforstyrrelse, de optiske egenskaber ville være anderledes." I eksperimenterne, forøgelse af tykkelsen af ​​de bløde DNA-skaller omkring partiklerne øget sammensætningsforstyrrelse.

Disse grundlæggende principper giver videnskabsmænd en ramme for at designe nye materialer. De specifikke betingelser, der kræves for en bestemt anvendelse, vil afhænge af de anvendte partikler, Zhang understregede, men generalforsamlingens tilgang ville være den samme.

sagde bande, "Vi kan variere længden af ​​DNA-strengene for at ændre afstanden mellem partikler fra omkring 10 nanometer til under 100 nanometer - hvilket er vigtigt for applikationer, fordi mange optiske, magnetiske, og andre egenskaber ved nanopartikler afhænger af placeringen i denne skala. Vi er begejstrede over de veje, som denne forskning åbner i form af fremtidige retninger for konstruktion af nye klasser af materialer, der udnytter kollektive effekter og multifunktionalitet."