Metoden bruger DNA, nanopartikler og litografi til fremstilling af optisk aktive strukturer

Forskere fra Northwestern University har udviklet en første-af-sin-slags teknik til at skabe helt nye klasser af optiske materialer og enheder, der kan føre til lysbøjning og tilsløring af apparater-nyheder for at få ørerne til Star Trek's Spock til at stige.

Brug af DNA som et centralt værktøj, det tværfaglige team tog guld nanopartikler af forskellige størrelser og former og arrangerede dem i to og tre dimensioner for at danne optisk aktive supergitter. Strukturer med specifikke konfigurationer kunne programmeres ved valg af partikeltype og både DNA-mønster og sekvens til at udvise næsten enhver farve på tværs af det synlige spektrum, rapporterer forskerne.

"Arkitektur er alt, når man designer nye materialer, og vi har nu en ny måde at præcist styre partikelarkitekturer over store områder, "sagde Chad A. Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences i Northwestern. "Kemikere og fysikere vil være i stand til at bygge et næsten uendeligt antal nye strukturer med alle mulige interessante egenskaber. Disse strukturer kan ikke laves med nogen kendt teknik."

Teknikken kombinerer en gammel fremstillingsmetode-top-down litografi, den samme metode, der blev brugt til at lave computerchips-med en ny-programmerbar selvsamling drevet af DNA. Det nordvestlige team er det første til at kombinere de to for at opnå individuel partikelkontrol i tre dimensioner.

Undersøgelsen blev offentliggjort online af tidsskriftet Videnskab i dag (18. januar). Mirkin og Vinayak P. Dravid og Koray Aydin, begge professorer i Northwestern's McCormick School of Engineering, er medsvarende forfattere.

Forskere vil kunne bruge den kraftfulde og fleksible teknik til at bygge metamaterialer - materialer, der ikke findes i naturen - til en række applikationer, herunder sensorer til medicinsk og miljømæssig brug.

Forskerne brugte en kombination af numeriske simuleringer og optiske spektroskopiteknikker til at identificere bestemte nanopartikelsuperlatter, der absorberer specifikke bølgelængder af synligt lys. De DNA-modificerede nanopartikler-guld i dette tilfælde-er placeret på en præ-mønstret skabelon lavet af komplementært DNA. Stabler af strukturer kan laves ved at indføre en anden og derefter en tredje DNA-modificeret partikel med DNA, der er komplementær til de efterfølgende lag.

Udover at være usædvanlige arkitekturer, disse materialer er stimuli-responsive:DNA-strengene, der holder dem sammen, ændres i længde, når de udsættes for nye miljøer, såsom opløsninger af ethanol, der varierer i koncentration. Ændringen i DNA -længde, fandt forskerne, resulterede i en farveændring fra sort til rød til grøn, giver ekstrem afstemning af optiske egenskaber.

"Indstilling af metamaterialers optiske egenskaber er en betydelig udfordring, og vores undersøgelse opnår et af de højeste afstemningsområder, der er opnået til dato inden for optiske metamaterialer, "sagde Aydin, adjunkt i elektroteknik og datalogi ved McCormick.

"Vores nye metamaterialeplatform - muliggjort af præcis og ekstrem kontrol af guld nanopartikelform, størrelse og afstand-giver et betydeligt løfte for næste generations optiske metamaterialer og metasurfaces, "Sagde Aydin.

Undersøgelsen beskriver en ny måde at organisere nanopartikler på i to og tre dimensioner. Forskerne brugte litografimetoder til at bore små huller - kun en nanopartikel bred - i en polymerresist, at skabe "landingspuder" til nanopartikelkomponenter modificeret med DNA -tråde. Landingspuderne er vigtige, Mirkin sagde, da de holder de strukturer, der dyrkes, lodrette.

De nanoskopiske landingspuder er modificeret med en sekvens af DNA, og guldnanopartiklerne er modificeret med komplementært DNA. Ved at skifte nanopartikler med komplementært DNA, forskerne byggede nanopartikelstakke med enorm positionskontrol og over et stort område. Partiklerne kan have forskellige størrelser og former (kugler, terninger og diske, for eksempel).

"Denne fremgangsmåde kan bruges til at bygge periodiske gitter af optisk aktive partikler, såsom guld, sølv og ethvert andet materiale, der kan modificeres med DNA, med ekstraordinær nanoskala præcision, sagde Mirkin, direktør for Northwestern's International Institute for Nanotechnology.

Mirkin er også professor i medicin ved Northwestern University Feinberg School of Medicine og professor i kemisk og biologisk teknik, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik i McCormick School.

Succesen med den rapporterede DNA-programmerbare samling krævede ekspertise med hybridmaterialer (bløde-hårde) og udsøgte nanopatterning og litografiske muligheder for at opnå den nødvendige rumlige opløsning, definition og troskab på tværs af store substratområder. Projektteamet henvendte sig til Dravid, en mangeårig samarbejdspartner af Mirkin's, der har specialiseret sig i nanopatterning, avanceret mikroskopi og karakterisering af blødt, hårde og hybrid nanostrukturer.

Dravid bidrog med sin ekspertise og bistod med at designe nanopatterning og litografi strategi og den tilhørende karakterisering af de nye eksotiske strukturer. Han er Abraham Harris -professor i materialevidenskab og teknik i McCormick og grundlægger af NUANCE -centret, der huser den avancerede mønster, litografi og karakterisering anvendt i de DNA-programmerede strukturer.