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

Et forskerhold ledet af Northwestern University og University of Michigan har udviklet en ny metode til at samle partikler til kolloide krystaller, en værdifuld type materiale, der bruges til kemiske og biologiske sensorer og lysdetekteringsenheder. Ved hjælp af denne metode har holdet for første gang vist, hvordan disse krystaller kan designes på måder, der ikke findes i naturen.

Holdet brugte Advanced Photon Source (APS), et US Department of Energy (DOE) Office of Science-brugerfacilitet ved DOE's Argonne National Laboratory, til at bekræfte deres afgørende opdagelse.

"En kraftig røntgenstråle muliggør de højopløselige målinger, du har brug for for at studere denne type samling. APS er en ideel facilitet til at udføre denne forskning," bemærkede Byeongdu Lee fra Argonne National Laboratory.

"Vi har opdaget noget grundlæggende ved systemet til fremstilling af nye materialer," sagde Chad A. Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences i Northwestern. "Denne strategi til at bryde symmetri omskriver reglerne for materialedesign og syntese."

Forskningen blev ledet af Mirkin og Sharon C. Glotzer, Anthony C. Lembke afdelingsformanden for Chemical Engineering ved University of Michigan, og blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Materials .

Kolloide krystaller er meget små partikler med andre, mindre partikler (kaldet nanopartikler) opstillet inde i dem på en ordnet eller symmetrisk måde. De kan konstrueres til applikationer fra lyssensorer og lasere til kommunikation og databehandling. Til denne forskning forsøgte videnskabsmænd at bryde naturens naturlige symmetri, som har tendens til at ordne små partikler på den mest symmetriske måde.

"Forestil dig, at du stabler basketball i en kasse," sagde Argonnes Byeongdu Lee, en gruppeleder ved APS og en forfatter på avisen. "Du ville have en specifik måde at gøre det på, som ville få maksimal værdi ud af rummet. Det er sådan naturen gør det."

Men, siger Lee, hvis kuglerne er tømt for en vis mængde, kan du stable dem i et andet mønster. Forskerholdet, sagde han, forsøger at gøre det samme med nanomaterialer og lærer dem at samle sig selv til nye mønstre.

Til denne forskning brugte videnskabsmænd DNA, molekylet inde i celler, der bærer genetisk information. Forskere har lært nok om DNA til at kunne programmere det til at følge specifikke instruktioner. Dette forskerhold brugte DNA til at lære metalnanopartikler at samles til nye konfigurationer. Forskere fastgjorde DNA-molekyler til overfladerne af nanopartikler af forskellig størrelse og fandt ud af, at de mindre partikler bevægede sig rundt om de større i mellemrummene mellem dem, mens de stadig bandt partiklerne sammen til et nyt materiale.

"At bruge store og små nanopartikler, hvor de mindre bevæger sig rundt som elektroner i en krystal af metalatomer, er en helt ny tilgang til at bygge komplekse kolloide krystalstrukturer," sagde Glotzer.

Ved at justere dette DNA ændrede forskerne parametrene for de små elektronækvivalente partikler og ændrede derved de resulterende krystaller.

"Vi udforskede mere komplekse strukturer, hvor kontrol over antallet af naboer omkring hver partikel producerede yderligere symmetribrud," sagde Glotzer. "Vores computersimuleringer hjalp med at tyde de komplicerede mønstre og afsløre de mekanismer, der gjorde det muligt for nanopartiklerne at skabe dem."

Denne tilgang satte scenen for tre nye, aldrig før-syntetiserede krystallinske faser, hvoraf den ene ikke har nogen kendt naturlig ækvivalent.

"Kolloide partikelsamlinger har altid en vis analogi i det naturlige atomsystem," sagde Lee. "Denne gang er den struktur, vi fandt, helt ny. Den måde, den samles på, har vi ikke set metaller, metallegeringer eller andre materialer naturligt samle sig på denne måde."

"Vi kender ikke materialets fysiske egenskaber endnu," sagde Lee. "Nu giver vi det videre til materialeforskerne at skabe dette materiale og studere det."

Holdet brugte de ultraklare røntgenstråler fra APS til at bekræfte den nye struktur af deres krystaller. De brugte højopløsningsinstrumenter til røntgenspredning med små vinkler ved strålelinjer 5-ID og 12-ID til at skabe præcise billeder af arrangementet af partikler, de havde skabt.

"En kraftig røntgenstråle muliggør de højopløsningsmålinger, du har brug for for at studere denne type samling," sagde Lee. "APS er en ideel facilitet til at udføre denne forskning."

APS gennemgår i øjeblikket en massiv opgradering, som Lee bemærkede vil gøre det muligt for forskere at bestemme endnu mere komplekse strukturer i fremtiden. Instrumenterne på 12-ID bliver også opgraderet for at drage fuld fordel af de lysere røntgenstråler, der vil være tilgængelige.

Disse lavsymmetriske kolloide krystaller har optiske egenskaber, der ikke kan opnås med andre krystalstrukturer og kan finde anvendelse i en lang række teknologier. Deres katalytiske egenskaber er også forskellige. Men de nye strukturer, der afsløres her, er kun begyndelsen på mulighederne, nu hvor betingelserne for at bryde symmetri er forstået.

"Vi er midt i en hidtil uset æra af materialesyntese og opdagelse," sagde Mirkin. "Dette er endnu et skridt fremad i at bringe nye, uudforskede materialer ud af skitsebogen og ind i applikationer, der kan drage fordel af deres sjældne og usædvanlige egenskaber." + Udforsk yderligere

Undersøgelse afslører, hvordan man bryder symmetri i kolloide krystaller