Udløser mikroskala-selvsamling ved hjælp af lys og varme

Selvsamling er den spontane organisering af byggesten i strukturer eller mønstre fra en uordnet tilstand. Daglige eksempler omfatter frysning af væsker eller krystallisation af salte. Disse selvsamlingsprocesser forekommer også i mange biologiske systemer, såsom foldning af proteiner eller dannelse af DNA-helixer, og der er øget interesse for at studere disse selvsamlingsprocesser. Forsker Patrick Hage skabte en ny klasse af selvsamlende mikropartikler, der reagerer på temperatur og lys, hvilket giver mulighed for præcis kontrol over deres samling i strukturer.

Kolloide partikler, der varierer i størrelse fra nogle få nanometer til nogle få mikrometer, bruges ofte til at studere selvsamlingsprocesser. På grund af deres lille størrelse har gravitationskræfter minimal indflydelse på deres bevægelse. Som et resultat har disse partikler en tendens til at bevæge sig tilfældigt, mens de på samme tid interagerer med hinanden.

"På trods af deres lille størrelse kan disse kolloide partikler afbildes ved hjælp af konventionelle mikroskopiteknikker," bemærker Patrick Hage, tidligere ph.d. forsker og nu postdoc i gruppen Self-Organizing Soft Matter. "At arrangere disse materialer på denne længdeskala kan resultere i materialer med nye mekaniske og optiske egenskaber. Et naturligt eksempel på en kolloid 'overbygning' med unikke optiske egenskaber er en opal, som er sammensat af krystaller af små silicakugler. Kontrol over overbygningerne kunne føre til nye materialer til fotoniske krystaller, belægninger og sensorer."

Vigtigheden af ​​kontrol

For at skabe responsive og rekonfigurerbare kolloide materialer er det meget vigtigt at have kontrol over interaktionerne mellem partikler og evnen til at modulere disse interaktioner ved hjælp af eksterne prompter.

En måde at hjælpe med at modulere interaktionerne er via overfladefunktionalisering, hvor små enkelt-DNA-strenge er knyttet til overfladen af ​​partiklerne. Ligesom du ville finde i kernen af ​​en celle i den menneskelige krop, forbinder disse DNA-strenge sig til hinanden og danner en DNA-helix.

"Det er dannelsen af ​​disse DNA-helixer, der holder partiklerne sammen," siger Hage. "Partikler med DNA på deres overflade kan moduleres ved hjælp af temperatur som en trigger. Dette styrer, hvordan partiklerne interagerer med hinanden og fører til komplicerede strukturer såsom kolloide krystaller."

Flere udløsere

Målet med Hages ph.d. forskning var at udvikle et system, der reagerer på flere triggere - lys og temperatur i dette tilfælde. "Brug af flere triggere giver mulighed for kontrol over væksten af ​​strukturer over både rum og tid."

Hage opnåede dette ved at tilføje et lys-responsivt molekyle til de DNA-strenge, der er ansvarlige for kolloid samling. Dette resulterede i partikelinteraktioner, der reagerede på både lys og temperatur på samme tid. Kombinationen af ​​disse partikler med et fluorescerende mikroskop, et varmekammer og en digital mikrospejlenhed muliggjorde partikelvisualisering, samtidig med at det gav præcis temperaturkontrol og evnen til at påføre lys med specifikke mønstre på prøven.

"Jeg skabte et setup, der giver mulighed for billeddannelse af dannelsen af ​​overbygninger (f.eks. krystaller) ved specifikke temperaturer, samtidig med at jeg opnår evnen til at modificere eller fjerne uønskede strukturer ved at anvende lokale lysmønstre," siger Hage. "I fremtidige processer kan denne dobbelte kontrol bruges til at lave selvsamlede strukturer til en række applikationer såsom avancerede sensorer eller fotoniske krystaller til fotoniske enheder."

Hage vil nu fortsætte arbejdet fra sin ph.d. som led i en 4-måneders postdoc stilling i samme gruppe. "Jeg glæder mig til at arbejde videre med at optimere systemet yderligere, og derefter overføre viden til andre medlemmer af gruppen." + Udforsk yderligere

Røntgenstråler hjælper videnskabsmænd med at bruge designer-DNA til at afdække nye former for materiale