Engineering fase ændringer i nanopartikel arrays

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har netop taget et stort skridt mod målet om at konstruere dynamiske nanomaterialer, hvis struktur og tilhørende egenskaber kan skiftes efter behov. I et papir, der vises i Naturmaterialer , de beskriver en måde at selektivt omarrangere nanopartiklerne i tredimensionelle arrays for at producere forskellige konfigurationer, eller faser, fra de samme nanokomponenter.

"Et af målene med selvsamling af nanopartikler har været at skabe strukturer ved design, "sagde Oleg Gang, der ledede arbejdet på Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Indtil nu, de fleste af de strukturer, vi har bygget, har været statiske. Nu forsøger vi at nå et endnu mere ambitiøst mål:at lave materialer, der kan transformere sig, så vi kan udnytte egenskaber, der opstår ved partiklernes omlejringer."

Evnen til at dirigere partikelomlejringer, eller faseændringer, vil give forskerne mulighed for at vælge de ønskede egenskaber-sige, materialets reaktion på lys eller et magnetfelt - og skift dem efter behov. Sådanne faseskiftende materialer kan føre til nye anvendelser, såsom dynamisk energihøst eller responsive optiske materialer.

DNA-rettet omlægning

Dette seneste fremskridt inden for nanoskalateknik bygger på holdets tidligere arbejde med at udvikle måder at få nanopartikler til selv at samle sig til komplekse sammensatte arrays, herunder at forbinde dem med tøjler konstrueret af komplementære strenge af syntetisk DNA. I dette tilfælde, de startede med en samling af nanopartikler, der allerede var forbundet i et regulært array ved den komplementære binding af A, T, G, og C-baser på enkeltstrengede DNA-bindinger, derefter tilføjet "omprogrammering" DNA -strenge for at ændre interpartikelinteraktionerne.

"Vi ved, at egenskaber ved materialer bygget af nanopartikler er stærkt afhængige af deres arrangementer, sagde Gang. "Tidligere, vi har endda været i stand til at manipulere optiske egenskaber ved at forkorte eller forlænge DNA-bindingerne. Men den tilgang tillader os ikke at opnå en global reorganisering af hele strukturen, når den allerede er bygget."

I den nye tilgang, de omprogrammerende DNA -tråde klæber til åbne bindingssteder på de allerede samlede nanopartikler. Disse strenge udøver yderligere kræfter på de forbundne nanopartikler.

"Ved at introducere forskellige typer af omprogrammerende DNA-strenge, vi modificerer DNA-skallerne omkring nanopartiklerne, " forklarede CFN postdoc-stipendiat Yugang Zhang, hovedforfatteren på papiret. "Ændring af disse skaller kan selektivt ændre partikel-partikel-interaktionerne, enten ved at øge både tiltrækning og frastødning, eller ved separat at øge kun attraktion eller kun frastødning. Disse omprogrammerede interaktioner pålægger partiklerne nye begrænsninger, tvinge dem til at opnå en ny strukturel organisation for at tilfredsstille disse begrænsninger. "

Ved hjælp af deres metode, holdet demonstrerede, at de kunne skifte deres originale nanopartikel -array, "mor"-fasen, ind i flere forskellige datterfaser med præcisionskontrol.

Dette er ganske forskelligt fra faseændringer drevet af ydre fysiske forhold såsom tryk eller temperatur, Gang sagde, som typisk resulterer i enkeltfaseskift, eller nogle gange sekventielle. "I de tilfælde at gå fra fase A til fase C, du skal først skifte fra A til B og derefter B til C, " sagde Gang. "Vores metode giver os mulighed for at vælge, hvilken datterfase vi vil have og gå lige til den, fordi datterfasen er fuldstændig bestemt af den type DNA-omprogrammeringsstrenge, vi bruger."

Forskerne var i stand til at observere de strukturelle transformationer til forskellige datterfaser ved hjælp af en teknik kaldet in situ small-angle x-ray spredning ved National Synchrotron Light Source, en anden DOE Office of Science brugerfacilitet, der fungerede på Brookhaven Lab fra 1982 til september sidste år (nu erstattet af NSLS-II, som producerer røntgenstråler 10, 000 gange lysere). Holdet brugte også beregningsmodellering til at beregne, hvordan forskellige former for omprogrammeringsstrenge ville ændre interpartikelinteraktionerne, og fandt, at deres beregninger stemte godt overens med deres eksperimentelle observationer.

"Evnen til dynamisk at skifte fasen af ​​et helt supergitter-array vil tillade skabelsen af ​​omprogrammerbare og omskiftelige materialer, hvori flere, forskellige funktioner kan aktiveres efter behov " sagde Gang. "Vores eksperimentelle arbejde og medfølgende teoretiske analyse bekræfter, at omprogrammering af DNA-medierede interaktioner mellem nanopartikler er en levedygtig måde at nå dette mål på."