Nanoskala skulptur fører til usædvanlig pakning af nanokuber

Fra de gamle pyramider til moderne bygninger, forskellige tredimensionelle (3-D) strukturer er blevet dannet ved at pakke formede genstande sammen. På makroskalaen, genstandenes form er fast og dikterer således, hvordan de kan arrangeres. For eksempel, mursten fastgjort med mørtel bevarer deres aflange rektangulære form. Men på nanoskala, formen på objekter kan til en vis grad ændres, når de er belagt med organiske molekyler, såsom polymerer, overfladeaktive stoffer (overfladeaktive stoffer), og DNA. Disse molekyler skaber i det væsentlige en "blød" skal omkring ellers "hård, "eller stiv, nano-objekter. Når nanoobjekterne pakkes sammen, deres oprindelige form er måske ikke helt bevaret, fordi skallen er fleksibel - en slags skulptur i nanoskala.

Nu, et hold videnskabsmænd fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory og Columbia Engineering har vist, at terningformede nanopartikler, eller nanokuber, belagt med enkeltstrengede DNA-kæder samles til et usædvanligt "zigzag"-arrangement, som aldrig er blevet observeret før på nanoskala eller makroskala. Deres opdagelse er rapporteret i onlineudgaven den 17. maj af Videnskabens fremskridt .

"Nanoskalaobjekter har næsten altid en slags skal, fordi vi bevidst vedhæfter polymerer til dem under syntese for at forhindre aggregering, " forklarede medforfatter Oleg Gang, leder af Soft and Bio Nanomaterials Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - en DOE Office of Science User Facility ved Brookhaven Lab - og professor i kemiteknik og anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia University. "I dette studie, vi undersøgte, hvordan man ændrer blødheden og tykkelsen af ​​DNA-skaller (dvs. længden af ​​DNA-kæderne) påvirker pakningen af ​​guldnanokuber."

Gang og de andre teammedlemmer - Fang Lu og Kevin Yager fra CFN; Yugang Zhang fra National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en anden DOE Office of Science brugerfacilitet i Brookhaven; og Sanat Kumar, Thi Vo, og Alex Frenkel fra Columbia's Department of Chemical Engineering - opdagede, at nanokuber omgivet af tynde DNA-skaller pakkes på samme måde som forventet på makroskalaen, med terningerne anbragt i pæne lag orienteret direkte over hinanden. Men dette enkle kubiske arrangement giver plads til en meget usædvanlig type emballage, når tykkelsen af ​​skallerne øges (dvs. når skallen bliver "blødere").

"Hver nanokube har seks flader, hvor den kan forbindes til andre terninger, " forklarede Gang. "Kuber, der har komplementært DNA, tiltrækkes af hinanden, men terninger, der har samme DNA, frastøder hinanden. Når DNA-skallen bliver tilstrækkelig blød (tyk), terningerne arrangeres i, hvad der ligner et zigzagmønster, som maksimerer tiltrækning og minimerer frastødning, mens den forbliver pakket så tæt som muligt.

"Denne form for pakning er aldrig set før, og det bryder terningers orienteringssymmetri i forhold til vektorerne (retninger af x, y, og z-akser i krystallen) af enhedscellen, " sagde førsteforfatter Fang Lu, en videnskabsmand i Gangs gruppe. "I modsætning til alle tidligere observerede pakninger af terninger, vinklen mellem terninger og disse tre akser er ikke den samme:to vinkler er forskellige fra den anden."

En enhedscelle er den mindste gentagende del af et krystalgitter, som er en række punkter i 3D-rummet, hvor nanopartiklerne er placeret. Formede nanopartikler kan orienteres forskelligt i forhold til hinanden i enhedscellen, såsom ved deres ansigter, kanter, eller hjørner. Den zigzag-pakning, som forskerne observerede i denne undersøgelse, er en slags nanoskala-kompromis, hvor ingen af ​​den relative orientering "vinder". I stedet, kuberne finder det bedste arrangement til at eksistere sammen i et ordnet gitter baseret på, om de har det samme eller komplementære DNA (dvs. frastøder eller tiltrækker hinanden i overensstemmelse hermed).

I dette tilfælde, to forskellige gittertyper kan forekomme:kropscentreret kubisk (BCC) og kropscentreret tetragonal (BCT). Både BCC og BCT har lignende placeringer af partikler i midten og hjørnerne af kuberne, men BCC har enhedscellesider af samme længde, mens BCT ikke har.

For at visualisere formen af ​​kuberne og deres pakningsadfærd, forskerne brugte en kombination af elektronmikroskopi ved CFN og small-angle X-ray scattering (SAXS) ved den tidligere X9 beamline af NSLS og Complex Materials Scattering beamline af NSLS-II. Elektronmikroskopiundersøgelserne kræver, at materialerne tages ud af opløsning, men SAXS kan udføres in situ for at give mere detaljerede og præcise strukturelle oplysninger. I dette studie, spredningsdataene var nyttige til at afsløre symmetrierne, afstand mellem partikler, og orienteringer af partikler i 3D-nanokubestrukturer. Teoretiske beregninger udført af Kumar Group i Columbia bekræftede, at zigzag -arrangementet er muligt og rationaliserede, hvorfor denne form for pakning skete baseret på egenskaberne af DNA -skallerne.

Holdet er nu ivrige efter at afgøre, om blødskallede nanoobjekter, der ikke er terninger eller har mere end én form, også pakker sammen på uventede måder.

"En forståelse af samspillet mellem formede nanoobjekter og bløde skaller vil gøre os i stand til at lede organiseringen af ​​objekter ind i bestemte strukturer med ønsket optisk, mekanisk, og andre ejendomme, " sagde Kumar.