211service.com
Geavanceerde materialen programmeren
In 1996 gebruikten wetenschappers van IBM en de Northwestern University enkelstrengs DNA alsof het moleculair klittenband was om de zelfassemblage van nanodeeltjes in eenvoudige structuren te programmeren. Het werk hielp het toen ontluikende nanotechnologieveld te lanceren door de mogelijkheid te suggereren om van onderaf nieuwe materialen te bouwen. Twaalf jaar later rapporteren onderzoekers van Northwestern en Brookhaven National Laboratory afzonderlijk in het tijdschrift Natuur dat ze die belofte eindelijk hebben waargemaakt, met behulp van DNA-linkers om nanodeeltjes om te zetten in perfecte kristallen met maximaal een miljoen deeltjes.
Bestelde nano bestelling: Sequenties van DNA gehecht aan gouden nanodeeltjes (bovenste afbeelding) programmeren de zelfassemblage van de deeltjes in nieuwe kristallen (onderste afbeelding). Röntgendiffractie bevestigt dat de kristallen - gedeeltelijk verpletterd door de elektronenmicroscopie die deze afbeeldingen produceerde - perfecte roosters zijn van tienduizenden deeltjes.
De kristalstructuren zijn bewust ontworpen, zegt Northwestern's Tsjaad Mirkin , een van de materiaalwetenschappers die in de jaren negentig pionierde met het koppelen van DNA en een co-auteur van een van de rapporten van vandaag. Dit is een nieuwe manier om dingen te maken.
Natuurkundige David Stroud van de Ohio State University noemt het werk heel waardevol. Hij voorspelt dat de doorbraak de assemblage van nieuwe materialen mogelijk zal maken met nieuwe optische, elektronische of magnetische eigenschappen die tot nu toe alleen bestonden in de hoofden en modellen van materiaalwetenschappers. Zelfs nu ben ik verrast dat ze het konden, zegt Stroud.
Tot op heden hebben pogingen tot geprogrammeerde zelfassemblage van nanodeeltjes in drie dimensies voornamelijk ongeordende klonten geproduceerd. Deze klonten kunnen waarde hebben; inderdaad, Mirkins startup NanoSphere heeft de technologie gebruikt om medische diagnostiek te ontwikkelen die is goedgekeurd door de Food and Drug Administration.
Maar meer complexe en exotische materialen die door Stroud en anderen zijn bedacht, vereisen geordende structuren. De hang-up, zegt Stroud, is dat nanodeeltjes immens zijn in verhouding tot de atomen die de meeste kristallen vormen. Als gevolg hiervan bewegen de nanodeeltjes relatief langzaam, vooral als er DNA-strengen aan vast zitten. Wanneer ze worden afgekoeld om de complementaire DNA-strengen met elkaar te verbinden, hebben de nanodeeltjes de neiging om in een ongeordende opstelling te bevriezen voordat ze hun weg naar het ordelijke rooster van een kristal kunnen vinden.
De auteurs van de nieuwe rapporten - een team bij Northwestern onder leiding van Mirkin en chemicus George Schatz, en het team van natuurkundige Oleg Gang in Functioneel materialencentrum van Brookhaven National Laboratory , in Upton, NY, overwon de traagheid van de deeltjes door langere DNA-strengen te gebruiken die de deeltjes meer flexibiliteit geven tijdens kristalvorming. Meestal denken we dat kristalliniteit zeer rigide structuren vereist, dus je zou je kunnen voorstellen dat het nodig is om een zeer rigide DNA-omhulsel op de deeltjes te hebben om goede kristallen te hebben, zegt Gang. In werkelijkheid is het het tegenovergestelde.
Hoewel de details van de Northwestern- en Brookhaven-systemen verschillen, vullen beide hun DNA-strengen aan met sequenties die fungeren als spacers en flexoren, naast complementaire sequenties aan de DNA-uiteinden die deeltjes aan elkaar binden. De groepen beginnen met het binden van een van de twee soorten DNA aan gouden nanodeeltjes. De DNA-types zijn complementair aan elkaar. Deze twee pools van gemodificeerde deeltjes worden vervolgens gemengd en gekoeld. DNA-strengen met complementair DNA vormen een dubbele helix, die hun respectieve nanodeeltjes samenbindt, terwijl identieke DNA-strengen als veren werken om hun respectieve deeltjes af te stoten. De spacers op elke DNA-streng zorgen ervoor dat gebonden deeltjes kunnen draaien en buigen, zodat elk deeltje in de mix het grootste aantal complementaire deeltjes kan binden.
Het resultaat is precies wat de theorie voorspelt: een kristalrooster waarin elk deeltje van één type wordt omringd door acht andere die de hoeken van een kubus markeren. De groep van Mirkin toonde verder aan dat het aanpassen van de temperatuur en DNA-sequenties dezelfde mix van deeltjes zou kunnen duwen om een afzonderlijke kristalstructuur te vormen waarin elk deeltje 12 buren heeft.
Mirkin zegt dat hij en zijn team nog maar net zijn begonnen. Voor mij is het eigenlijk alleen het begin en niet het einde, zegt hij. De afgelopen drie jaar heeft de groep van Mirkin methoden gedemonstreerd om verschillende DNA-linkers op verschillende vlakken van niet-bolvormige deeltjes te plaatsen, zoals driehoekige prisma's en virusdeeltjes. Dat zou het programmeren van complexere materialen met herhalende patronen van drie of meer componenten mogelijk moeten maken, zegt hij. De echt intrigerende mogelijkheid hier is de mogelijkheid om de vorming van ieder structuur die je wilt, zegt Mirkin.
Stroud zegt dat de reeds geproduceerde structuren nuttig zullen zijn als de DNA-geprogrammeerde assemblage wordt uitgebreid tot andere deeltjes dan goud. Toepassingen kunnen fotonische kristallen omvatten, waarin de precieze periodiciteit van deeltjes de algehele materialen kan afstemmen om specifieke golflengten van licht te manipuleren, en fotovoltaïsche cellen die een breder bereik van het zonnespectrum vastleggen.
De structuren zijn zeer poreus - 10 procent deeltjes en DNA en 90 procent water. Dat zou toepassingen kunnen belemmeren waarin water ongewenst is. Laat het water weglopen en de kristallen storten in. Gang zegt dat je de kristallen zou kunnen stabiliseren door het rooster met een polymeer te vullen, maar hij onderzoekt ook alternatieve stabilisatieschema's die de open ruimte van het rooster behouden.