En lagdelt nanostruktur holdt sammen af ​​DNA

(Phys.org) — Drømmer om nanostrukturer, der har ønskværdige optiske, elektronisk, eller magnetiske egenskaber er en ting. At finde ud af, hvordan man laver dem er en anden. En ny strategi bruger bindingsegenskaberne af komplementære DNA-strenge til at fastgøre nanopartikler til hinanden og opbygger en lagdelt tyndfilm-nanostruktur gennem en række kontrollerede trin. Undersøgelser ved U.S. Department of Energy Office of Sciences Advanced Photon Source har afsløret den præcise form, som strukturerne vedtog, og peger på måder, hvorpå man kan udøve endnu større kontrol over det endelige arrangement.

Ideen om at bruge DNA til at indeholde nanopartikler blev udtænkt for mere end 15 år siden af ​​Chad Mirkin og hans forskerhold ved Northwestern University. De knyttet korte længder af enkeltstrenget DNA med en given sekvens til nogle nanopartikler, og derefter knyttet DNA med den komplementære sekvens til andre. Når partiklerne fik lov at blande sig, de "klæbrige ender" af DNA'et, der er tilsluttet hinanden, muliggør reversibel aggregering og disaggregering afhængigt af hybridiseringsegenskaberne af DNA-linkerne.

For nylig, denne DNA "smart lim" er blevet brugt til at samle nanopartikler i ordnede arrangementer, der ligner atomkrystalgitter, men i større skala. Til dato, nanopartikel-supergitter er blevet syntetiseret i langt over 100 krystalformer, herunder nogle, der aldrig er blevet observeret i naturen.

Imidlertid, disse supergitter er typisk polykrystallinske, og størrelsen, nummer, og orienteringen af ​​krystallerne i dem er generelt uforudsigelig. For at være nyttig som metamaterialer, fotoniske krystaller, og lignende, enkelte supergitter med ensartet størrelse og fast orientering er nødvendige.

Nordvestlige forskere og en kollega ved Argonne National Laboratory har udtænkt en variation af DNA-forbindelsesproceduren, der tillader en større grad af kontrol.

De grundlæggende elementer i supergitteret var guld nanopartikler, hver 10 nanometer på tværs. Disse partikler blev lavet i to forskellige varianter, en prydet med cirka 60 DNA-strenge af en bestemt sekvens, mens den anden bar den komplementære sekvens.

Forskerne byggede tyndfilms-supergitter op på et siliciumsubstrat, der også var belagt med DNA-strenge. I et sæt eksperimenter, substrat -DNA'et var alle i en sekvens - kald det "B" -sekvensen - og det blev først dyppet i en suspension af nanopartikler med den komplementære "A" -sekvens.

Når A og B slutter forbundet, nanopartiklerne dannede et enkelt lag på substratet. Derefter blev processen gentaget med en suspension af B-typen nanopartikler, for at danne et andet lag. Hele cyklussen blev gentaget, hele fire gange mere, at skabe et flerlags nanopartikel-supergitter i form af en tynd film.

Græsningsforekomst småvinklede røntgenspredning (GISAXS) undersøgelser udført på røntgenvidenskabens division 12-ID-B strålelinje ved Argonne Advanced Photon Source afslørede symmetrien og orienteringen af ​​supergitterne, da de dannede sig. Selv efter blot tre halve cyklusser, holdet fandt ud af, at nanopartiklerne havde arrangeret sig selv i en veldefineret, kropscentreret kubisk (bcc) struktur, som blev opretholdt efterhånden som flere lag blev tilføjet.

I en anden række eksperimenter, forskerne såede substratet med en blanding af både A- og B-typerne af DNA-streng. Efterfølgende eksponering for de to nanopartikeltyper producerede det samme bcc supergitter, men med en anden lodret orientering. Det er, i det første tilfælde, substratet lå på et plan gennem gitteret, der kun indeholdt én type nanopartikel, mens i det andet tilfælde, flyet indeholdt et vekslende mønster af begge typer (se figuren).

For at få ordnet supergittervækst, forskerne skulle udføre processen ved den rigtige temperatur. For koldt, og nanopartiklerne ville klæbe til underlaget på en uregelmæssig måde, og forblive fast. For varmt, og DNA -forbindelserne ville ikke holde sammen.

Men i et temperaturområde på et par grader på hver side af omkring 40°C (lige under den temperatur, hvor de klæbrige DNA-ender løsner sig fra hinanden), nanopartiklerne var i stand til løbende at koble og afkoble fra hinanden. Over en periode på omkring en time pr. halvcyklus, de slog sig ned i bcc supergitteret, det mest termodynamisk stabile arrangement.

GISAXS afslørede også, at selv om substratet tvang supergitter til bestemte lodrette justeringer, det gjorde det muligt for nanopartikelkrystallerne at dannes i enhver vandret orientering. Forskerne undersøger nu muligheden for, at ved at mønstre substratet på en passende måde, de kan styre orienteringen af ​​krystallerne i begge dimensioner, øge den praktiske værdi af teknikken.