Programowanie zaawansowanych materiałów

W 1996 roku naukowcy z IBM i Northwestern University wykorzystali jednoniciowy DNA, jakby był molekularnym rzepem, do zaprogramowania samoorganizacji nanocząstek w proste struktury. Prace pomogły uruchomić rodzącą się wówczas dziedzinę nanotechnologii, sugerując możliwość budowania nowych materiałów od podstaw. Dwanaście lat później naukowcy z Northwestern i Brookhaven National Laboratory raportują osobno w czasopiśmie Natura że w końcu spełnili tę obietnicę, używając łączników DNA do przekształcenia nanocząstek w doskonałe kryształy zawierające do miliona cząstek.

Zamówione nano zamówienie: Sekwencje DNA przyłączone do nanocząstek złota (górny obraz) programują samoorganizację cząstek w nowe kryształy (dolny obraz). Dyfrakcja rentgenowska potwierdza, że ​​kryształy – częściowo zgniecione przez mikroskop elektronowy, w którym powstały te obrazy – są idealnymi sieciami złożonymi z dziesiątek tysięcy cząstek.

Struktury kryształów są celowo zaprojektowane, mówi Northwestern Czad Mirkin , jeden z naukowców zajmujących się materiałami, który był pionierem łączenia DNA w latach 90. i współautor jednego z dzisiejszych raportów. To nowy sposób robienia rzeczy.

Fizyk z Ohio State University David Stroud nazywa pracę dość wartościową. Przewiduje, że przełom umożliwi montaż nowych materiałów o nowatorskich właściwościach optycznych, elektronicznych lub magnetycznych, które do tej pory istniały tylko w umysłach i modelach materiałoznawców. Nawet teraz jestem zaskoczony, że mogli to zrobić, mówi Stroud.

Dotychczas wysiłki na rzecz zaprogramowanej samoorganizacji nanocząstek w trzech wymiarach doprowadziły do ​​powstania w większości nieuporządkowanych skupisk. Te grudki mogą mieć wartość; rzeczywiście, startująca firma Mirkin NanoSphere wykorzystała tę technologię do opracowania diagnostyki medycznej, która uzyskała aprobatę Agencji ds. Żywności i Leków.

Ale bardziej złożone i egzotyczne materiały wymyślone przez Strouda i innych wymagają uporządkowanych konstrukcji. Zawieszenie, mówi Stroud, polega na tym, że nanocząsteczki są ogromne w stosunku do atomów, z których powstaje większość kryształów. W rezultacie nanocząsteczki poruszają się stosunkowo wolno, zwłaszcza z dołączonymi nićmi DNA. Po schłodzeniu, aby umożliwić połączenie komplementarnych nici DNA, nanocząstki mają tendencję do zamrażania się w nieuporządkowanym układzie, zanim znajdą drogę do uporządkowanej sieci kryształu.

Autorzy nowych raportów – zespół z Northwestern kierowany przez Mirkina i chemika George'a Schatza oraz zespół fizyka Olega Ganga w Centrum materiałów funkcjonalnych Brookhaven National Laboratory , w Upton, NY – przezwyciężył spowolnienie cząstek, używając dłuższych nici DNA, które zapewniają cząsteczkom większą elastyczność podczas tworzenia kryształów. Zazwyczaj uważamy, że krystaliczność wymaga bardzo sztywnych struktur, więc można sobie wyobrazić, że aby uzyskać dobre kryształy, trzeba mieć bardzo sztywną powłokę DNA na cząsteczkach, mówi Gang. W rzeczywistości jest odwrotnie.

Chociaż szczegóły systemów Northwestern i Brookhaven różnią się, oba układają swoje nici DNA sekwencjami, które działają jako przerywniki i zginacze, oprócz komplementarnych sekwencji na końcach DNA, które wiążą ze sobą cząsteczki. Grupy zaczynają od wiązania jednego z dwóch typów DNA z nanocząsteczkami złota. Typy DNA są do siebie komplementarne. Te dwie pule zmodyfikowanych cząstek są następnie mieszane i schładzane. Nici DNA z komplementarnym DNA tworzą podwójną helisę, wiążąc ze sobą odpowiednie nanocząstki, podczas gdy identyczne nici DNA działają jak sprężyny, odpychając ich odpowiednie cząstki. W międzyczasie przekładki na każdej nici DNA umożliwiają związanym cząstkom skręcanie się i zginanie, dzięki czemu każda cząstka w mieszance może związać największą liczbę komplementarnych cząstek.

Wynik jest dokładnie taki, jak przewiduje teoria: sieć krystaliczna, w której każda cząstka jednego typu jest otoczona ośmioma innymi, wyznaczającymi rogi sześcianu. Grupa Mirkina wykazała ponadto, że modyfikacja temperatury i sekwencji DNA może popchnąć tę samą mieszankę cząstek, aby utworzyć odrębną strukturę krystaliczną, w której każda cząsteczka ma 12 sąsiadów.

Mirkin mówi, że on i jego zespół dopiero zaczynają. Dla mnie to tak naprawdę tylko początek, a nie koniec, mówi. W ciągu ostatnich trzech lat grupa Mirkina demonstrowała metody umieszczania różnych łączników DNA na różnych ścianach cząstek niesferycznych, takich jak pryzmaty o trójkątnych powierzchniach i cząstki wirusa. To, jak mówi, powinno umożliwić programowanie bardziej złożonych materiałów z powtarzającymi się wzorami trzech lub więcej komponentów. Naprawdę intrygującą możliwością jest tutaj możliwość zaprogramowania formacji każdy chcesz strukturę, mówi Mirkin.

Stroud twierdzi, że już wyprodukowane struktury będą przydatne, ponieważ zespół zaprogramowany przez DNA zostanie rozszerzony na cząstki inne niż złoto. Zastosowania mogą obejmować kryształy fotoniczne, w których dokładna okresowość cząstek może dostroić ogólne materiały do ​​manipulowania określonymi długościami fal światła, oraz fotowoltaika, która wychwytuje szerszy zakres widma słonecznego.

Struktury są bardzo porowate – 10 procent cząstek, DNA i 90 procent wody. Może to utrudnić zastosowania, w których woda jest niepożądana. Spuść wodę, a kryształy zapadną się. Gang twierdzi, że można ustabilizować kryształy, wypełniając sieć polimerem, ale bada też alternatywne schematy stabilizacji, które pozwoliłyby zachować otwartą przestrzeń sieci.

ukryć