Forskere guider nanopartikler af guld til dannelse af diamant -supergitter

Ved hjælp af bundte DNA-tråde til at bygge Tinkertoy-lignende tetraedriske bure, forskere ved US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory har udtænkt en måde at fange og arrangere nanopartikler på en måde, der efterligner den krystallinske struktur af diamant. Opnåelsen af ​​dette komplekse, men elegante arrangement, som beskrevet i et papir offentliggjort 5. februar, 2016, i Videnskab , kan åbne en vej til nye materialer, der udnytter de optiske og mekaniske egenskaber ved denne krystallinske struktur til applikationer såsom optiske transistorer, materialer, der ændrer farve, og lette, men hårde materialer.

"Vi løste en 25-årig udfordring med at bygge diamantgitter på en rationel måde via selvmontering, "sagde Oleg Gang, en fysiker, der ledede denne forskning ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) på Brookhaven Lab i samarbejde med forskere fra Stony Brook University, Wesleyan University, og Nagoya University i Japan.

Forskerne anvendte en teknik udviklet af Gang, der bruger fremstillet DNA som byggemateriale til at organisere nanopartikler i 3D rumlige arrangementer. De brugte reblignende bundter af dobbelt-helix-DNA til at skabe stive, tredimensionelle rammer, og tilsat dinglende bit af enkeltstrenget DNA for at binde partikler overtrukket med komplementære DNA-tråde.

"Vi bruger præcist formede DNA-konstruktioner fremstillet som et stillads og enkeltstrengede DNA-bindere som en programmerbar lim, der matcher partikler i henhold til parringsmekanismen i den genetiske kode-A binder med T, G binder med C, "sagde Wenyan Liu fra CFN, hovedforfatteren på papiret. "Disse molekylære konstruktioner er byggesten til at skabe krystallinske gitter lavet af nanopartikler."

Vanskeligheden ved diamant

Som Liu forklarede, "At bygge diamant-supergitter fra nano- og mikroskala partikler ved hjælp af selvsamling har vist sig bemærkelsesværdigt svært. Det udfordrer vores evne til at manipulere stof i små skalaer."

Årsagerne til denne vanskelighed omfatter strukturelle træk såsom en lav pakningsfraktion, hvilket betyder, at i et diamantgitter, i modsætning til mange andre krystallinske strukturer, partikler optager kun en lille del af gitterets volumen-og stærk følsomhed over for måden, hvorpå bindinger mellem partikler orienteres. "Alt skal passe sammen på en sådan måde uden forskydning eller rotation af partiklernes positioner, "Gang sagde." Da diamantstrukturen er meget åben, mange ting kan gå galt, fører til uorden. "

"Selv at bygge sådanne strukturer en efter en ville være udfordrende, "Tilføjede Liu, "og vi var nødt til at gøre det ved selvsamling, fordi der ikke er nogen måde at manipulere milliarder af nanopartikler en efter en."

Gangs tidligere succes med at bruge DNA til at konstruere en bred vifte af nanopartikel-arrays foreslog, at en DNA-baseret tilgang kunne fungere i dette tilfælde.

DNA guider samling

Holdet brugte først de reblignende DNA-bundter til at bygge tetraedriske "bure"-et 3D-objekt med fire trekantede flader. De tilføjede enkeltstrengede DNA-bindere, der pegede mod burets indre ved hjælp af T, G, C, En sekvens, der matchede med komplementære bånd fastgjort til guld -nanopartikler. Når den blandes i opløsning, de komplementære tethers parrede op til at "fange" en guld nanopartikel inde i hvert tetraederbur.

Arrangementet af guld -nanopartikler uden for burene blev styret af et andet sæt DNA -bindere fastgjort ved tetraederens hjørner. Hvert sæt hjørner bundet med komplementære DNA -bindere knyttet til et andet sæt guldnanopartikler.

Når det blandes og glødes, tetraedriske arrays dannede supergitter med lang rækkefølge, hvor guldnanopartiklernes positioner efterligner arrangementet af carbonatomer i et gitter af diamant, men i en skala omkring 100 gange større.

"Selvom dette samlingsscenario kan virke håbløst ubegrænset, vi demonstrerer eksperimentelt, at vores tilgang fører til det ønskede diamantgitter, drastisk effektivisering af samlingen af ​​en så kompleks struktur, "Sagde banden.

Beviset er på billederne. Forskerne brugte kryogen transmissionselektronmikroskopi (cryo-TEM) til at verificere dannelsen af ​​tetraedriske rammer ved at rekonstruere deres 3D-form fra flere billeder. Derefter brugte de in-situ lille vinkel røntgenstråling (SAXS) ved National Synchrotron Light Source (NSLS), og kryoscanningstransmissionselektronmikroskopi (cryo-STEM) ved CFN, at forestille arrays af nanopartikler i det fuldt konstruerede gitter.

"Vores tilgang er afhængig af selvorganiseringen af ​​de trekantede, stumpe hjørner af tetraederne (såkaldte 'fodspor') på isotrope sfæriske partikler. Disse trekantede fodaftryk binder sig til sfæriske partikler belagt med komplementært DNA, som gør det muligt for partiklerne at koordinere deres arrangement i rummet i forhold til hinanden. Imidlertid, fodsporene kan arrangere sig selv i forskellige mønstre på en kugle. Det viser sig, at en bestemt placering er mere gunstig, og det svarer til den unikke 3D -placering af partikler, der låser diamantgitteret, "Sagde banden.

Teamet støttede deres fortolkning af de eksperimentelle resultater ved hjælp af teoretisk modellering, der gav indsigt i de vigtigste faktorer, der driver den vellykkede dannelse af diamantgitter.

Mousserende implikationer

"Dette arbejde bringer til nanoskalaen den krystallografiske kompleksitet, der ses i atomsystemer, "sagde Gang, der bemærkede, at metoden let kan udvides til at organisere partikler af forskellige materialesammensætninger. Gruppen har tidligere vist, at DNA-samlingsmetoder kan anvendes på optiske, magnetisk, og katalytiske nanopartikler også og vil sandsynligvis give de længe søgte nye optiske og mekaniske materialer, forskere har forestillet sig.

"Vi har demonstreret et nyt paradigme for at skabe komplekse 3D-bestilte strukturer via selvsamling. Hvis du kan bygge dette udfordrende gitter, tankegangen er, at du potentielt kan bygge en række ønskede gitter, " han sagde.