211service.com
Programmering av avancerade material
1996 använde forskare vid IBM och Northwestern University enkelsträngat DNA som om det vore molekylärt kardborreband för att programmera självmontering av nanopartiklar till enkla strukturer. Arbetet hjälpte till att lansera det då begynnande nanoteknikområdet genom att föreslå möjligheten att bygga nya material från botten och upp. Tolv år senare rapporterar forskare från Northwestern och Brookhaven National Laboratory separat i tidskriften Natur att de äntligen har infriat det löftet, genom att använda DNA-linkers för att omvandla nanopartiklar till perfekta kristaller som innehåller upp till en miljon partiklar.
Beställd nanoorder: Sekvenser av DNA fäst vid guldnanopartiklar (övre bilden) programmerar partiklarnas självmontering till nya kristaller (nedre bilden). Röntgendiffraktion bekräftar att kristallerna – delvis klämda av elektronmikroskopin som producerade dessa bilder – är perfekta gitter av tiotusentals partiklar.
Kristallstrukturerna är medvetet designade, säger Northwestern's Chad Mirkin , en av materialforskarna som banade väg för DNA-länkning på 1990-talet och medförfattare till en av dagens rapporter. Det här är ett nytt sätt att göra saker på.
Ohio State University fysiker David Stroud kallar arbetet ganska värdefullt. Han förutspår att genombrottet kommer att möjliggöra sammansättning av nya material med nya optiska, elektroniska eller magnetiska egenskaper som hittills bara har funnits i materialforskares sinnen och modeller. Redan nu är jag förvånad över att de kunde göra det, säger Stroud.
Hittills har ansträngningar med programmerad självmontering av nanopartiklar i tre dimensioner producerat mestadels oordnade klumpar. Dessa klumpar kan ha värde; faktiskt, Mirkins startup-företag NanoSphere har använt tekniken för att utveckla medicinsk diagnostik som har fått godkännande från Food and Drug Administration.
Men mer komplexa och exotiska material föreställt av Stroud och andra kräver ordnade strukturer. Upphängningen, säger Stroud, är att nanopartiklar är enorma i förhållande till de atomer som bildar de flesta kristaller. Som ett resultat rör sig nanopartiklarna relativt långsamt, särskilt med DNA-strängar fästa. När de kyls för att tillåta de komplementära DNA-strängarna att länka samman, tenderar nanopartiklarna att frysa in i ett oordnat arrangemang innan de kan hitta vägen till en kristalls ordnade gitter.
Författarna till de nya rapporterna – ett team på Northwestern ledd av Mirkin och kemisten George Schatz, och fysikern Oleg Gangs team i Brookhaven National Laboratorys center för funktionella material , i Upton, NY – övervann partiklarnas tröghet genom att använda längre DNA-strängar som ger partiklarna mer flexibilitet under kristallbildning. Vanligtvis tror vi att kristallinitet kräver väldigt stela strukturer, så man kan föreställa sig att det är nödvändigt att ha ett väldigt stelt DNA-skal på partiklarna för att ha bra kristaller, säger Gang. I verkligheten är det tvärtom.
Även om detaljerna i Northwestern- och Brookhaven-systemen skiljer sig åt, täcker båda ut sina DNA-strängar med sekvenser som fungerar som spacers och flexorer, förutom komplementära sekvenser på DNA-ändarna som binder samman partiklar. Grupperna börjar med att binda en av två typer av DNA till guldnanopartiklar. DNA-typerna är komplementära till varandra. Dessa två pooler av modifierade partiklar blandas sedan och kyls. DNA-strängar med komplementärt DNA bildar en dubbelhelix som binder ihop sina respektive nanopartiklar, medan identiska DNA-strängar fungerar som fjädrar för att stöta bort sina respektive partiklar. Distanserna på varje DNA-sträng tillåter samtidigt bundna partiklar att vrida sig och böjas så att varje partikel i blandningen kan binda det största antalet komplementära partiklar.
Resultatet är exakt vad teorin förutspår: ett kristallgitter där varje partikel av en typ är omgiven av åtta av de andra som markerar hörnen på en kub. Mirkins grupp visade vidare att justering av temperaturen och DNA-sekvenserna kunde knuffa samma blandning av partiklar för att bilda en distinkt kristallstruktur där varje partikel har 12 grannar.
Mirkin säger att han och hans team precis har börjat. För mig är det egentligen bara början snarare än slutet, säger han. Under de senaste tre åren har Mirkins grupp demonstrerat metoder för att placera olika DNA-linkers på olika ytor av icke-sfäriska partiklar, såsom triangel-faced prismor och viruspartiklar. Det, säger han, borde möjliggöra programmering av mer komplexa material med upprepade mönster av tre eller flera komponenter. Den riktigt spännande möjligheten här är förmågan att programmera bildandet av några struktur du vill ha, säger Mirkin.
Stroud säger att de strukturer som redan producerats kommer att vara användbara eftersom den DNA-programmerade sammansättningen utökas till andra partiklar än guld. Tillämpningar kan inkludera fotoniska kristaller, där partiklarnas exakta periodicitet kan ställa in det övergripande materialet för att manipulera specifika våglängder av ljus, och fotovoltaik som fångar ett bredare spektrum av solspektrumet.
Strukturerna är mycket porösa – 10 procent partiklar och DNA och 90 procent vatten. Det kan hindra applikationer där vatten inte är önskvärt. Häll ut vattnet och kristallerna kollapsar. Gang säger att man skulle kunna stabilisera kristallerna genom att fylla gittret med en polymer, men han utforskar också alternativa stabiliseringsscheman som skulle bevara gittrets öppna utrymme.