DNA bliver vores hænder til at konstruere avancerede polyedriske nanopartikler

I et papir udgivet i Science 18. januar præsenterer forskerne Chad Mirkin og Sharon Glotzer og deres teams ved henholdsvis Northwestern University og University of Michigan resultater inden for nanoteknologi, der kan påvirke den måde, avancerede materialer fremstilles på.

Papiret beskriver et betydeligt spring fremad med hensyn til at samle polyedriske nanopartikler. Forskerne introducerer og demonstrerer kraften i en ny syntetisk strategi, der udvider mulighederne i metamaterialedesign. Disse er de usædvanlige materialer, der understøtter "usynlighedskapper" og ultrahøjhastigheds optiske computersystemer.

"Vi manipulerer materialer i makroskala i hverdagen ved hjælp af vores hænder," sagde Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences.

"Selv førskolebørn kan nemt manipulere legetøjsbyggeklodser og passe dem godt sammen for at fylde rummet. På nanoskalaen kan vi ikke bruge vores hænder til at manipulere nanopartikelbyggeklodser på grund af den enorme størrelsesforskel mellem vores hænder og nanopartiklerne.

"Fordi DNA og nanopartikler har dimensioner på samme længdeskala, og vi kan kemisk kode partikler med DNA, så de kan designes til at genkende komplementære partikler, og derfor bliver DNA'et effektivt vores hænder."

Disse "hænder" er designet til at genkende partikler med komplementære former og arrangere dem til at danne rumfyldende strukturer.

En ny metode til at lave nyttige nanopartikelkrystaller

Konventionelle tilgange til konstruktion af nanopartikelkrystaller ved hjælp af DNA som bindingselement har endnu ikke ført til tredimensionelle (3D) rumfyldte flisearrangementer. For at opnå disse nyttige rumfyldte krystaller brugte forskere fra Northwestern kortere og mere fleksible molekylære ligander end dem, der typisk anvendes. Specifikt brugte de oligoethylenglycol-modificeret DNA.

Oligoethylenglycol-enhederne fungerer som en type støddæmper, der justeres til den passende længde for at sikre, at formerne kan passe sammen på en næsten perfekt måde.

Indtil videre har dette nye byggemateriale ført til syntesen af ​​10 nye kolloide krystaller, som ikke ville være mulige at fremstille på anden måde, og som har potentiale til at blive brugt til design og konstruktion af metamaterialer med hidtil usete egenskaber.

Lad ægte farver skinne igennem

Nanopartikler er i sagens natur ufuldkomne - selv individuelle fremstillet i samme syntetiske batch har lidt forskellige størrelser og former - og denne funktion kan begrænse deres evne til effektivt at fylde plads, når de samles. Også de DNA-strenge, der traditionelt anvendes til samling, er næsten lige så lange eller længere end partiklernes diameter og har således maskeret nogle afgørende bidrag fra partikelgeometrien til binding. Resultatet - partikler med veldefinerede facetter har vist sig at opføre sig som dem, der er mindre geometrisk komplekse.

Holdet overvandt disse to forhindringer ved at afkoble bidragene fra DNA-ligandskallen og nanopartikelformen. Faktisk er DNA-strengene afgørende for samlingsprocessen - de er "limen", der manipuleres til at holde partiklerne sammen. Men forskerne brugte DNA-strenge, der både var meget kortere og mere fleksible.

Det korte DNA tillader, at nanopartiklernes form-komplementaritet både afsløres og derefter afspejles i det samlede produkt. Det fleksible DNA giver det slingrende rum, der er nødvendigt for at rumme små ufuldkommenheder i polyedrisk nanopartikelstørrelse og -form.

Dette vrikkerum gør det muligt for nanopartikler med uperfekte former at skabe flisebelægninger som dem med de perfekte former. På denne måde blev højt ordnede samlinger dannet via facet-til-ansigt justering.

To til prisen af ​​én

"Ved at afkoble bidragene fra DNA-ligandskallen og kerneformen har vi låst op for en ny grænse inden for nanoteknologi, hvilket muliggør skabelsen af ​​højt ordnede kolloide krystaller med former og størrelser, som tidligere blev anset for umulige at lave. Dette gennembrud udvider ikke kun omfanget af kolloide krystaller, men præsenterer også et alsidigt værktøjssæt til at designe metamaterialer," sagde den tidligere Mirkin Group-studerende Wenjie Zhou, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere.

Bemærkelsesværdigt nok tillader denne nye strategi to væsentlige designstrategier. For det første kan uperfekte polyedriske byggeklodser eller dem med helt andre former samles til højt ordnede rumudfyldende strukturer. For det andet giver fleksibelt DNA yderligere frihedsgrader i samlingen af ​​ikke-rumfyldende polyedriske nanopartikler, hvilket fører til dannelsen af ​​komplekse krystaller med symmetrier, som ikke tidligere kunne opnås med kolloid krystalkonstruktion med DNA.

Udvidelse af designrummet

Forskningen demonstrerer evnen til at konstruere store, rumfyldende kolloide krystaller ved hjælp af simple geometriske overvejelser. De præsenterede samlinger repræsenterer kun en brøkdel af denne revolutionære strategis enorme designrum. På grund af dette vil det være vigtigt at koble eksperimenter og teori for at nå frem til nyttige målstrukturer.

"Her blev det eksperimentelle arbejde bekræftet ved simulering i silico, og vores teoriarbejde tilbød ny indsigt i, hvad der skete ex silico," sagde Glotzer, Anthony C Lembkes afdelingsformand for kemiteknik.

"Ved at bruge en kombination af begge forskningsformer og arbejde sammen lærte vores grupper meget mere om systemet, end vi nogensinde kunne have arbejdet uafhængigt. Det er derfor, tværfagligt arbejde repræsenterer det absolut bedste inden for videnskab og teknik."

På mange måder var disse resultater uventede. Mirkin siger:"Det er langt fra indlysende, at man kan tage to meget uperfekte systemer og designe DNA-bindingselementer, der giver næsten perfekte rumfyldte krystaller. Det er en fantastisk demonstration af nytten af ​​naturens blåprint til at indkode et materialeresultat."

Mirkin og Glotzer er de samme forfattere af papiret med titlen "Space-tiled colloidal crystals from DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing."

Flere oplysninger: Wenjie Zhou et al., Rumbelagte kolloide krystaller fra DNA-tvunget form-komplementær polyeder-parring, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj1021. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1021

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Northwestern University