Sporing af nanowalkers med lys

Nanoteknologien tager sine første skridt. Forskere fra Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart har udviklet en guld nanocylinder udstyret med diskrete DNA-strenge som 'fødder', der kan gå hen over en DNA-origami-platform. De er i stand til at spore nanowalkerens bevægelser, som er mindre end den optiske opløsningsgrænse, af spændende plasmoner i guldnanocylinderen. Plasmoner er kollektive oscillationer af adskillige elektroner. Excitationen ændrer lysstrålen, således at forskerne faktisk kan observere nanowalkeren. Deres hovedformål er at bruge sådanne mobile plasmoniske nanoobjekter til at studere, hvordan små partikler interagerer med lys.

Nanomaskiner – det vil sige mekaniske enheder med dimensioner på nanometer – kunne en dag udføre specifikke opgaver inden for områder som medicin, informationsbehandling, kemi eller videnskabelig forskning, ifølge nanoteknologiske eksperter. Alligevel udgør miniaturemaskiner, der er tusindvis af gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår, betydelige udfordringer for videnskabsmænd:For det første, de enkelte bestanddele består blot af et lille antal atomer; det er næppe muligt at håndtere sådanne komponenter, endsige samle dem på en præcis måde. I øvrigt, maskinerne skulle så forsynes med energi. Og i sidste ende, forskerne kan ikke bare tjekke, om deres enhed rent faktisk virker. De mikroskopiteknikker, der er nødvendige for en sådan observation, er komplekse og kræver for eksempel vakuumkamre, hvor enhederne ville blive ødelagt. På Max Planck Institut for Intelligente Systemer i Stuttgart, et team af forskere, herunder Chao Zhou og Xiaoyang Duan, ledet af Laura Na Liu har nu skabt en nanowalker, som de kan observere ved hjælp af en nanooptisk effekt.

Nanowalkerens krop består af en guldcylinder, der er 35 nanometer lang og ti nanometer bred. "Cylinderens overflade er primet med adskillige identiske DNA-strenge, der effektivt tjener som fødder, " Gruppeleder Liu forklarer. Disse DNA-strenge stikker ud fra guldcylinderen som børstehårene på en flaskebørste. "De tillader guldcylinderen at komme i kontakt med overfladen nedenunder og bevæge sig hen over den."

Nanowalkeren skrider hen over et tæppe af DNA-strenge

Guldcylinderens gangbro er også sammensat af DNA - en DNA origami skabelon, for at være præcis. Udstrakt fra dette foldede DNA-stillads som fibre fra et tæppe er langsgående rækker af korte tråde, der er parallelle med cylinderen og tjener som fodfæste for rollatorens små fødder. Hver række i DNA-tæppet består af en forskellig kombination af baser, og hver række repræsenterer en station. I første omgang, rollatorens fødder binder med to naborækker, mens fodfæste i de andre rækker forbliver blokerede.

"Rollatoren bevæger sig fremad i en rullende bevægelse, fra station til station, " siger Liu. For at gøre dette muligt, forskerne skal hele tiden tilføje korte DNA-stykker til den væske, som handlingen foregår i. Disse uddrag er designet til at matche DNA'et i de enkelte rækker. Først bryder de en række forbindelser op, der forbinder rollatorens fødder og platformens DNA og blokerer fodfæste på den pågældende station. På den modsatte side af rollatoren, de ophæver derefter blokeringen af ​​en separat række, som cylinderens fødder nu kan fastgøres til.

"Afhængigt af hvad der tilføjes, rollatoren bevæger sig enten i den ene retning eller i den anden, " forklarer Liu. "Vi er inspireret af naturligt forekommende molekylære motorer:Væsken bevæger cylinderen og dens fødder frem og tilbage ved hjælp af termisk bevægelse." På grund af det faktum, at fødderne kun sætter sig igen på den ene side, rollatoren bevæger sig langsomt fremad. Hvert trin er syv nanometer langt, som er over hundrede tusinde gange mindre end en skovmyres enkelt skridt.

Forskere bruger plasmonresonans til at spore nanocylinderens vej

For at spore den lille maskines vej, forskerne stolede på en nanooptisk effekt kaldet plasmonresonans. Plasmoner er kollektive oscillationer af adskillige elektroner og er ofte til stede i metaller, blandt andre materialer. "Lys kan interagere med plasmonerne i guldet, " Liu forklarer. "Lys absorberes delvist i processen i vores tilfælde, resulterer i det, der er kendt som plasmonresonans." Ved at analysere lysstrålen, forskerne kan måle dette fænomen.

Bestemmelse af cylinderens nøjagtige placering, imidlertid, påkrævet at placere et sekund, stationær guld nanocylinder på undersiden af ​​DNA origami platformen. I store træk, denne anden cylinder tjener som referencepunkt. Grunden til dette er, at sammen, de to cylindre medfører en ændring i lysstrålens cirkulære polarisering:Lys består af et oscillerende elektromagnetisk felt. Polariseringen svarer til den retning, hvori feltet svinger; i cirkulært polariseret lys, den drejer enten med eller mod uret. Ved at observere de spektrale ændringer som følge af interaktionen med cirkulært polariseret lys, forskerne kan bestemme rollatorens aktuelle position.

"Ved at bruge denne tilgang var vi i stand til at spore hvert eneste trin. Derfor er rollatoren mere end blot et mobilt element - den giver også information om dens placering, " siger Liu. Sofistikeret mikroskopteknologi blev således overflødig til at observere den plasmoniske walker, som Liu betragter som en forløber for en "ny generation af nanomaskiner med tilpassede optiske egenskaber". Forskeren sigter nu mod at bruge dette værktøj til yderligere at studere interaktionen mellem lys og stof på nanoskala, samt nanopartiklers mekaniske opførsel. For hvis guldvandreren virkelig er bestemt til en dag at nå sit mål og udføre forskellige opgaver, det skal stadig tage en del skridt – og ikke kun på DNA-origami.