Selvsamlende system bruger magneter til at efterligne specifik binding i DNA

Nogle gange er det bedst at lade magneterne gøre alt arbejdet.

Et team ledet af Cornell University fysikprofessorer Itai Cohen og Paul McEuen bruger magneternes bindende kraft til at designe selvsamlende systemer, der potentielt kan skabes i nanoskala form.

Deres papir, "Magnetiske håndtryksmaterialer som en skala-invariant platform til programmeret selvsamling, " udgivet 21. november i Proceedings of the National Academy of Sciences .

At lave små systemer - såsom miniaturemaskiner, geler og metamaterialer - der i det væsentlige bygger sig selv, forskerne hentede inspiration fra DNA-origami, hvor DNA-strenge i atomare skala kan foldes til to- og tredimensionelle strukturer gennem en proces kaldet komplementær baseparring, hvor specifikke nukleotider binder til hinanden:A til T og G til C.

I stedet for at stole på atombindinger, holdet blev tiltrukket af en anden form for attraktion:magnetik. Her, tiltrækningen og frastødningen mellem flere magneter kan tjene som en slags intelligent forbindelse, som et håndtryk. Magnetiske interaktioner giver også stærke, alsidige bindinger, der ikke let forstyrres af termiske effekter. Med et stort nok array af magneter i en række forskellige retninger, tusindvis af forskellige konfigurationer ville være mulige.

Forskerne testede deres designteori ved at lave centimeterstore akrylpaneler, hver indeholder fire små magneter i et firkantet mønster. Dette arrangement tillod dem at lave fire unikke magnetiske interaktioner.

"Ved at kontrollere mønsteret af magnetiske dipoler på hvert panel, vi kan i det væsentlige få lås og nøgle binding, " sagde Cohen. "Og ved at lime disse paneler på en fleksibel mylar-strimmel i designede sekvenser, vi skabte vores grundlæggende byggeklodser."

For at aktivere selvsamlingen, de separate tråde blev spredt på et shakerbord, med bordets vibrationer, der forhindrer magneterne i at danne bindinger. Da rysteamplituden blev reduceret, magneterne fastgjort i deres udpegede rækkefølge, og strengene dannede målstrukturerne.

Det ultimative mål, siger Cohen, er at producere nanoskala versioner af disse systemer, med selvsamlende enheder, der kun er hundrede nanometer i diameter, eller en tusindedel af et menneskehår i diameter.

"Det er en ret bred platform med mange applikationer, der er meget spændende og interessante, " sagde postdoc-forsker Ran Niu, avisens hovedforfatter. "Man kan designe en masse strukturer. Vi kan bygge optisk aktive aktuatorer. Vi kan bygge funktionelle maskiner, som vi kan styre."

Projektet blev for nylig tildelt et stipendium på 1,1 millioner dollars til design af materialer til at revolutionere og udvikle vores fremtid fra National Science Foundation, hvilket vil gøre holdet i stand til yderligere at udforske inkarnationer i nanoskala.

"Den del, der virkelig interesserer mig, er ideen om, hvordan struktur og information interagerer for at lave formændrende maskiner, " sagde senior medforfatter McEuen, John A. Newman professor i fysisk videnskab og direktør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, hvor Cohen er seniorforsker. "Så RNA, for eksempel, er dette utroligt fantastiske molekyle i vores kroppe, der har en masse information i sig, men har også alle mulige interessante funktioner. Og så dette er en slags analog af det system, hvor vi kan begynde at forstå, hvordan du blander information og struktur for at få kompleks adfærd."

Mens maskiner i nanoskala og selvsamlende systemer ikke er nye, dette projekt er første gang, de to koncepter er blevet kombineret med magnetisk kodning.

"Visionen er, at jeg en dag bare vil give dig en magnetisk disk, du sætter den på din harddisk, den skriver alle de magnetiske koder, du har designet, så tager du det og putter det i noget syre for at frigøre byggestenene, " sagde Cohen. "Alle de små tråde med de magnetiske mønstre, som vi kodede, ville komme sammen og samle sig selv til en slags maskine, som vi kunne styre ved hjælp af eksterne magnetiske felter."

"Dette arbejde åbner designfeltet, " Cohen tilføjede. "Vi giver nu folk, der er interesseret i matematikken ved at designe materialer fra bunden, et værktøjssæt, der er utrolig kraftfuldt. Der er virkelig ingen ende på kreativiteten og potentialet for, at interessante designs kan komme ud af det."

De potentielle læringsmuligheder kan findes i selve forskerholdet. Bladets medforfattere inkluderer Edward Esposito, en tidligere universitetsmedarbejder, der auditerede Cohens Elektricitet og Magnetisme æresklasse og blev tekniker i Cohens laboratorium. Han er nu i gang med en ph.d. ved University of Chicago. Og medforfatter Jakin Ng er en Ithaca High School-elev, der begyndte at arbejde på deltid i Cohens laboratorium gennem Learning Web ungdomserfaringsuddannelsesprogrammet. Ngs viden om origami-mønstre hjalp forskerne med at designe nogle af deres strukturer.