Forskere bruger byggesten i nanoskala og DNA-lim til at forme 3D-supergitter

At tage børns leg med byggesten til et helt nyt niveau-nanometerskala-forskerne ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har konstrueret 3D "superlattice" multikomponent-nanopartikelarrays, hvor arrangementet af partikler drives af formen af små byggesten. Metoden anvender linkermolekyler lavet af komplementære DNA -strenge for at overvinde blokkenes tendens til at pakke sammen på en måde, der ville adskille forskellige formede komponenter. Resultaterne, udgivet i Naturkommunikation , er et vigtigt skridt på vejen mod at designe forudsigelige kompositmaterialer til applikationer i katalyse, andre energiteknologier, og medicin.

"Hvis vi vil drage fordel af de lovende egenskaber ved nanopartikler, vi skal være i stand til pålideligt at inkorporere dem i større kompositmaterialer til virkelige applikationer, "forklarede Brookhaven -fysikeren Oleg Gang, der ledede forskningen ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Vores arbejde beskriver en ny måde at fremstille strukturerede kompositmaterialer ved hjælp af retningsbinding af formede partikler til forudsigelig samling, "sagde Fang Lu, hovedforfatteren af ​​publikationen.

Forskningen bygger på teamets erfaring med at koble nanopartikler sammen ved hjælp af tråde af syntetisk DNA. Ligesom molekylet, der bærer den genetiske kode for levende ting, disse syntetiske tråde har komplementære baser kendt af de genetiske kodebogstaver G, C, T, og A, som kun bindes til hinanden på én måde (G til C; T til A). Gang har tidligere brugt komplementære DNA -bindere, der er knyttet til nanopartikler, til at styre samlingen af ​​en række arrays og strukturer. Det nye værk udforsker partikelform som et middel til at kontrollere retningen af ​​disse interaktioner for at opnå rækkefølge på lang afstand i store samlinger og klynger.

Sfæriske partikler, Gang forklarede, pakkes normalt sammen for at minimere fri volumen. DNA-linkere, der bruger komplementære tråde til at tiltrække partikler, eller ikke-komplementære tråde for at holde partikler fra hinanden-kan ændre pakningen i nogen grad for at opnå forskellige arrangementer. For eksempel, forskere har eksperimenteret med at placere komplementære linkerstrenge på strategiske steder på sfærerne for at få partiklerne til at ligge op og binde på en bestemt måde. Men det er ikke så let at lave nanosfærer med præcist placerede linkerstrenge.

"Vi udforskede en alternativ idé:introduktionen af ​​formede" blokke "af nanoskala dekoreret med DNA -tøjre på hver facet for at styre kuglernes retningsbinding med komplementære DNA -tether, "Sagde banden.

Når forskerne blandede nanokuber belagt med DNA -tether på alle seks sider med nanosfærer af omtrent samme størrelse, som var blevet belagt med komplementære tinder, disse to forskelligt formede partikler adskilte sig ikke som forventet på grund af deres normale pakningsadfærd. I stedet, DNA -"limen" forhindrede adskillelsen ved at tilvejebringe en attraktiv kraft mellem blokkenes flade facetter og bindene på kuglerne, samt en frastødende kraft mellem de ikke-parrende tødre på samme formede genstande.

"DNA'et tillader os at håndhæve regler:sfærer tiltrækker terninger (indbyrdes); sfærer tiltrækker ikke kugler; og terninger tiltrækker ikke terninger, "Gang sagde." Dette bryder den konventionelle pakningstendens og gør det muligt for systemet at samle sig selv i et skiftende udvalg af terninger og kugler, hvor hver terning er omgivet af seks kugler (en til et ansigt) og hver kugle er omgivet af seks terninger. "Brug af oktaedriske blokke i stedet for terninger opnåede et andet arrangement, med en kugle, der binder til hver af blokkenes otte trekantede facetter.

The method required some thermal processing to achieve the most uniform long-range order. And experiments with different types of DNA tethers showed that having flexible DNA strands was essential to accommodate the pairing of differently shaped particles.

"The flexible DNA shells 'soften' the particles, which allows them to fit into arrangements where the shapes do not match geometrically, " Lu said. But excessive softness results in unnecessary particle freedom, which can ruin a perfect lattice, she added. Finding the ideal flexibility for the tethers was an essential part of the work.

The scientists used transmission and scanning electron microscopy at the CFN and also conducted x-ray scattering experiments at the National Synchrotron Light Source, another DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab, to reveal the structure and take images of assembled clusters and lattices at various length scales. They also explained the experimental results with models based on the estimation of nanoscale interactions between the tiny building blocks.

"Ultimativt, this work shows that large-scale binary lattices can be formed in a predictable manner using this approach, " Gang said. "Given that our approach does not depend on the particular particle's material and the large variety of particle shapes available-many more than in a child's building block play set-we have the potential to create many diverse types of new nanomaterials."