211service.com
Programmering af avancerede materialer
I 1996 brugte forskere ved IBM og Northwestern University enkeltstrenget DNA, som om det var molekylær velcro til at programmere selvsamlingen af nanopartikler til simple strukturer. Arbejdet hjalp med at lancere det daværende spirende nanoteknologifelt ved at foreslå muligheden for at bygge nye materialer nedefra og op. Tolv år senere rapporterer forskere fra Northwestern og Brookhaven National Laboratory separat i tidsskriftet Natur at de endelig har indfriet det løfte ved at bruge DNA-linkere til at transformere nanopartikler til perfekte krystaller, der indeholder op til en million partikler.
Bestilte nano ordre: Sekvenser af DNA knyttet til guld-nanopartikler (øverste billede) programmerer partiklernes selvsamling til nye krystaller (nedre billede). Røntgendiffraktion bekræfter, at krystallerne - delvist knust af elektronmikroskopi, der producerede disse billeder - er perfekte gitter af titusindvis af partikler.
Krystalstrukturerne er bevidst designet, siger Northwestern's Chad Mirkin , en af de materialeforskere, der var banebrydende for DNA-linking i 1990'erne og medforfatter til en af dagens rapporter. Dette er en ny måde at lave ting på.
Ohio State University fysiker David Stroud kalder arbejdet ganske værdifuldt. Han forudser, at gennembruddet vil muliggøre samling af nye materialer med nye optiske, elektroniske eller magnetiske egenskaber, som indtil nu kun har eksisteret i materialeforskeres sind og modeller. Selv nu er jeg overrasket over, at de kunne gøre det, siger Stroud.
Til dato har indsatsen for programmeret nanopartikel-selvsamling i tre dimensioner produceret for det meste uordnede klumper. Disse klumper kan have værdi; Faktisk har Mirkins startup-virksomhed NanoSphere brugt teknologien til at udvikle medicinsk diagnostik, der har opnået godkendelse fra Food and Drug Administration.
Men mere komplekse og eksotiske materialer forestillet af Stroud og andre kræver ordnede strukturer. Ophænget, siger Stroud, er, at nanopartikler er enorme i forhold til de atomer, der danner de fleste krystaller. Som følge heraf bevæger nanopartiklerne sig relativt langsomt, især med DNA-strenge knyttet. Når de afkøles for at tillade de komplementære DNA-strenge at forbinde sig, har nanopartiklerne en tendens til at blive frosset ind i et uordnet arrangement, før de kan finde vej til en krystals ordnede gitter.
Forfatterne af de nye rapporter - et team på Northwestern ledet af Mirkin og kemiker George Schatz, og fysiker Oleg Gangs team i Brookhaven National Laboratorys center for funktionelle materialer , i Upton, NY – overvandt partiklernes træghed ved at bruge længere DNA-strenge, der giver partiklerne mere fleksibilitet under krystaldannelse. Typisk tror vi, at krystallinitet kræver meget stive strukturer, så man kunne forestille sig, at det er nødvendigt at have en meget stiv DNA-skal på partiklerne for at have gode krystaller, siger Gang. I virkeligheden er det modsat.
Mens detaljerne i Northwestern- og Brookhaven-systemerne er forskellige, udfylder begge deres DNA-strenge med sekvenser, der fungerer som spacere og flexorer, foruden komplementære sekvenser på DNA-enderne, der binder partikler sammen. Grupperne starter med at binde en af to typer DNA til guldnanopartikler. DNA-typerne er komplementære til hinanden. Disse to puljer af modificerede partikler blandes derefter og afkøles. DNA-strenge med komplementært DNA danner en dobbelt helix, der binder deres respektive nanopartikler sammen, mens identiske DNA-strenge fungerer som fjedre for at frastøde deres respektive partikler. Spacerne på hver DNA-streng tillader i mellemtiden bundne partikler at sno sig og bøje, så hver partikel i blandingen kan binde det største antal komplementære partikler.
Resultatet er præcis, hvad teorien forudsiger: et krystalgitter, hvor hver partikel af en type er omgivet af otte af de andre, der markerer hjørnerne af en terning. Mirkins gruppe demonstrerede yderligere, at justering af temperaturen og DNA-sekvenserne kunne skubbe den samme blanding af partikler til at danne en særskilt krystalstruktur, hvor hver partikel har 12 naboer.
Mirkin siger, at han og hans team lige er begyndt. For mig er det egentlig kun starten frem for slutningen, siger han. I løbet af de sidste tre år har Mirkins gruppe demonstreret metoder til at placere forskellige DNA-linkere på forskellige flader af ikke-sfæriske partikler, såsom trekantede prismer og viruspartikler. Det, siger han, skulle muliggøre programmering af mere komplekse materialer med gentagne mønstre af tre eller flere komponenter. Den virkelig spændende mulighed her er evnen til at programmere dannelsen af nogen struktur, du ønsker, siger Mirkin.
Stroud siger, at de strukturer, der allerede er produceret, vil være nyttige, da den DNA-programmerede samling udvides til andre partikler end guld. Anvendelser kan omfatte fotoniske krystaller, hvor den præcise periodicitet af partikler kan justere de overordnede materialer til at manipulere specifikke bølgelængder af lys, og fotovoltaik, der fanger et bredere spektrum af solspektret.
Strukturerne er meget porøse - 10 procent partikler og DNA og 90 procent vand. Det kan hindre applikationer, hvor vand er uønsket. Hæld vandet ud, og krystallerne falder sammen. Gang siger, at man kunne stabilisere krystallerne ved at fylde gitteret med en polymer, men han udforsker også alternative stabiliseringsskemaer, der ville bevare gitterets åbne rum.