Mest komplekse nanopartikelkrystal, der nogensinde er fremstillet ved design

Den mest komplekse krystal designet og bygget af nanopartikler er blevet rapporteret af forskere ved Northwestern University og bekræftet af forskere ved University of Michigan. Værket viser, at nogle af naturens mest komplicerede strukturer bevidst kan samles, hvis forskere kan kontrollere partiklernes former og den måde, de forbinder på.

"Dette er en demonstration af, hvad der er muligt, når man udnytter informationsindholdet og kemien i DNA og kombinerer det med nanopartikler, der er en størrelse og en form, "Northwestern's Chad A. Mirkin sagde.

Mirkin er direktør for forskningsgruppen, der opdagede sådanne materialer og en pioner inden for begrebet programmerbar kolloid krystallisation med nukleinsyrer. Han er George B. Rathmann professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences.

Nanoteknologi lover at bringe materialer sammen på nye måder, skaber nye muligheder ved design. I 1996, Mirkin introducerede konceptet om at bruge nanopartikler som atomer og syntetisk DNA - livets blå tryk - som en kemisk programmerbar binding til at lave designermaterialer baseret på partiklernes evne til at genkende hinanden gennem sekvenser immobiliseret på deres overflader.

En potentiel applikation for krystaller bygget af nanopartikler, som disse nyligt rapporterede, er lysets kontrol - nanopartikler interagerer godt med lysbølger, fordi de er ens i størrelse. Dette kan føre til materialer, der kan ændre farver eller mønstre på kommando eller blokere visse bølgelængder af lys, mens du sender eller forstærker andre. Nye typer linser, lasere og endda Star Trek-lignende tilslagsmaterialer er mulige.

"Vi kan bygge disse komplekse byggesten, der gør det muligt for forskere at lave materialer, som du ikke kan få naturligt ud af atomer og molekyler, "sagde Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering ved U-M. Hun ledede U-M-delen af ​​undersøgelsen.

Studiet, med titlen "Clathrate kolloidale krystaller, "vil blive offentliggjort den 3. marts i tidsskriftet Videnskab . Mirkin og Glotzer er co-korresponderende forfattere af papiret.

I kemi, clathrates er kendt for deres kamre, der kan rumme små molekyler. De er blevet brugt til at fange forurenende stoffer fra miljøet, for eksempel. Nanopartikelklyngerne efterlader også plads til last, som Mirkin foreslår, kan være nyttig til opbevaring, levere og registrere materialer til miljø, medicinske diagnostiske og terapeutiske anvendelser.

Mens naturlige materialer udviser et svimlende udvalg af krystalstrukturer, de fleste nanoteknologi -laboratorier kæmper for at komme forbi kubiske designs. Strukturerne produceret af Haixin Lin, nu en postdoktor i Mirkins laboratorium, er langt overlegne.

De nye strukturer dannet i klynger med op til 42 partikler, skitsere komplekse polyeder som den store dodekaeder. Disse klynger blev derefter forbundet til burlignende krystalstrukturer kaldet klatrater.

Stadig, historien er ikke selve krystallen:det er hvordan krystallen blev fremstillet og karakteriseret. Mirkins gruppe har foregået mange strukturer ved brug af DNA -tråde som en slags smart lim, at forbinde nanopartikler sammen på en bestemt måde. Partiklen er både en byggesten og en skabelon, der styrer bindingsinteraktioner. I mellemtiden, Glotzers gruppe har kæmpet for rollen som nanopartikelform i at styre samlingen af ​​krystalstrukturer gennem computermodellering.

"Tchads gruppe fik ideen om at udforske nye faser ved at se på forudsigelser, vi havde lavet, sagde Glotzer, John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering. "En dag, Jeg fik et telefonopkald fra Tchad. 'Vi har lige fået disse utrolige strukturer!' han sagde. Og han sms'ede mig mikroskop efter mikroskop - de blev bare ved med at dukke op. Han sagde, at vi er nødt til at finde ud af en måde at definere deres strukturer på en definitiv måde. "

Elektronmikroskopbillederne viste klatrater, der stort set dannede sig takket være formen af ​​guldnanopartiklerne. Den bipyramidale form, som to udfladede pyramider, der sidder fast ved deres baser, var naturligt tilbøjelig til at samle sig til klathratstrukturer. Men for at gøre det, de havde brug for DNA -tråde fastgjort til deres sider i den helt rigtige længde. Når den er for kort, DNA -strengene gjorde uorden, dårligt definerede strukturer, mens længere sekvenser tillod klatraterne at dannes.

Lin lavede systematisk guldbipyramiderne med kantlængder på 250 nanometer - halvdelen af ​​bølgelængden af ​​blåt lys. Derefter modificerede han dem med forskellige længdesekvenser af DNA for at bestemme den mest optimerede konstruktion til dannelse af de observerede krystallinske strukturer.

Da han så de eksotiske mønstre i elektronmikroskopbillederne, han bragte dem til Mirkin, som både var begejstret og fascineret.

"Disse er fantastiske - ingen havde lavet sådanne strukturer før, sagde Mirkin, direktør for Northwestern's International Institute for Nanotechnology (IIN).

Det var klart, at de havde foretaget faser, der aldrig er observeret før, men at få strukturen nøjagtigt tildelt var afgørende.

Efter Mirkin varslede Glotzer, Sangmin Lee, en doktorand i kemiteknik, og Michael Engel, en postdoktor, begge ved U-M, 3D-printede bipyramider og samlede dem for at undersøge, hvordan de kunne lave formerne i elektronmikrograferne. Derefter, de og deres kolleger byggede en computermodel for at bekræfte, at de DNA-koblede nanopartikler virkelig ville danne klatratstrukturer.

"For virkelig at vide det med sikkerhed, vi var nødt til at lave en simulering, hvor du har formerne, du indsætter DNA -interaktionen og både bygger tingen og ser, om den er stabil i computeren, "Glotzer sagde." Vi smed også partiklerne i en kasse for at se, om de var selvsamlede under de samme forhold, som de brugte i laboratoriet. "