DNA driver designprincipper for lightere, tyndere optiske skærme

DNA er bestemt grundlaget for livet. Snart kan det også være grundlaget for dine elektroniske enheder.

Et team fra Northwestern University har udviklet et nyt sæt designprincipper til fremstilling af fotoniske krystaller svarende til dem, der typisk bruges i computere, tv- og smartphone-skærme. Ved at bruge syntetisk DNA til at samle partikler til krystallinske gitre, forskerne har åbnet døren for meget lettere og tyndere skærme sammenlignet med det, der er tilgængeligt i øjeblikket.

"De fleste mennesker ser på en bærbar computer hver dag, men få mennesker forstår, hvad de er lavet af og hvorfor, " sagde George Schatz, Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. "En komponent af skærmen er bagreflektoren, en spejllignende enhed, der leder lyset fra LCD-skærmen til seeren. Disse reflektorer er lavet ved hjælp af lagdelte polymerer, der er meget tykkere og tungere end vores krystaller."

Northwesterns tilgang erstatter ikke kun disse polymerer med guld nanokrystaller, men adskiller dem også fra hinanden for at efterlade luft blandt dem. Resultatet er en lighter, mere kompakt, præcist designet og rekonfigurerbar struktur, der stadig er meget reflekterende.

Forskningen blev offentliggjort online i går i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Schatz og Chad Mirkin, direktøren for Northwestern's International Institute for Nanotechnology og George B. Rathmann professor i kemi, fungerede som avisens medkorresponderende forfattere.

Selvom DNA næsten altid er forbundet med levende organismer - fra simple bakterier til komplekse mennesker - er DNA'et, der bruges i undersøgelsen, kemisk syntetiseret og manipuleret i stedet for at stamme fra levende celler. I 1996 Mirkin opfandt måder at forbinde syntetisk DNA til guldnanopartikler for at producere nye materialer, der ikke findes i naturen - for i det væsentlige at bruge "livets blåprint" til at programmere deres dannelse. Disse strukturer er blevet grundlaget for mere end 1, 800 globalt brugte produkter, primært inden for biovidenskab.

Derefter, i 2008, Mirkin og Schatz samarbejdede om at lave krystaller fra partikler forbundet med DNA. Ved at binde strenge af syntetisk DNA til små guldkugler, duoen fandt ud af, at de kunne bygge tredimensionelle krystallinske strukturer. Ændring af DNA-strengens sekvens af Gs, Som, Ts og Cs ændrer formen af ​​den krystallinske struktur, giver forskerne mulighed for at arrangere partiklerne anderledes i rummet. Mere end 500 krystaltyper, der spænder over mere end 30 forskellige krystalsymmetrier er blevet lavet ved hjælp af denne tilgang, gør det til en kraftfuld og fundamentalt ny måde at programmere dannelsen af ​​krystallinsk stof på.

På trods af at de har gjort sofistikerede fremskridt med dette arbejde siden 2008, Mirkin og Schatz indså ikke oprindeligt, at krystalgitre, de lavede i laboratoriet, havde optiske egenskaber svarende til de polymerlag, der findes i enhedsskærme.

"Gennem computermodellering, vi indså ved et uheld, at de krystallinske materialer med guldnanopartikler havde egenskaber, som vi savnede tidligere i arbejdet, " sagde Schatz. "Vi optimerede derefter de optiske egenskaber ved hjælp af beregninger, og disse viste, at de ikke-rørende metalkugler kunne, i nogle tilfælde, være bedre end de rørende polymerkugler."

Efter at have lavet krystallerne i laboratoriet, Mirkins og Schatzs hold målte krystallernes optiske egenskaber for at finde ud af, at deres beregningsmodellering faktisk var korrekt. Selvom de kun testede det krystallinske gitters reflekterende natur i det nuværende PNAS-papir, metoden kunne føre til mange typer af funktionelle "designer"-materialer ved brug af DNA-drevet selvsamling.

"Generaliteten af ​​tilgangen og designreglerne er ganske ekstraordinære og uafhængige af partikelsammensætning, " sagde Mirkin. "Dette tager det, vi oprindeligt udtænkte i 1990'erne, til helt nye højder."