Technologie wordt kleiner, wat goed nieuws is.

Het vermogen om materialen te fabriceren met optische, elektrische en mechanische eigenschappen van zeer kleine deeltjes zouden verregaande toepassingen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, microdeeltjes geënt met DNA kunnen in de geneeskunde worden gebruikt voor een betere detectie, beeldvorming en behandeling. Een beter begrip van hoe deze materialen zich gedragen, zou kunnen leiden tot het waarmaken van de belofte van precisiegeneeskunde, onder andere toepassingen.

Er valt nog veel te leren over de beste manier om de fabricage van deze micromaterialen te sturen. Het zelfassemblageproces van DNA-gefunctionaliseerde microdeeltjes leidt tot kristallisatie, d.w.z., atomen en moleculen transformeren in een zeer gestructureerde vorm die een kristal wordt genoemd. Kristallisatie begint met kiemvorming - het proces waarbij atomen of moleculen samenklonteren op microscopische schaal. Als de clusters stabiel en groot genoeg worden, kristalgroei kan optreden. Atomen en verbindingen kunnen over het algemeen meer dan één kristalstructuur vormen, polymorfisme genoemd. De rangschikking van deeltjes wordt bepaald tijdens de vroege stadia van kristallisatie.

Volgens Jeetain Mittal, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Lehigh University, structurele transformaties die het potentieel voor polymorfisme tijdens kristallisatie inhouden, zijn conventioneel toegeschreven aan kinetische effecten, of de snelheid van kiemvorming, om te voorspellen welke structuren kunnen worden waargenomen wanneer kristallen worden gevormd. Dit is in lijn met de klassieke nucleatietheorie.

Nutsvoorzieningen, Mittal en zijn team hebben aangetoond dat kinetische effecten de structurele transformatie in alle polymorfe situaties mogelijk niet volledig kunnen verklaren en dat oppervlaktethermodynamica - gerelateerd aan kristallietgrootte in tegenstelling tot snelheid - van cruciaal belang kan zijn voor het aansturen van transformaties tussen kristalstructuren. Het team vond een nieuwe route voor structurele transformatie van vierkant naar hexagonaal rooster tijdens kristalgroei die thermodynamisch wordt aangedreven.

In veel eerdere systemen, volgens Mittal, de kristallieten die structureel polymorfisme vertonen zijn toegeschreven aan kinetische effecten, gerelateerd aan nucleatiesnelheid. In hun werk, Mittal en zijn medewerkers leveren solide berekeningen om aan te tonen dat de structurele transformatie volledig thermodynamisch kan zijn, in tegenstelling tot het kinetische argument, vanuit zowel theoretische als computationele perspectieven. Verder, een vergelijkbare structurele transformatie wordt waargenomen in een meer gedetailleerd gemodelleerd systeem met behulp van een grofkorrelig model dat DNA-gefunctionaliseerd deeltje vertegenwoordigt. Dit is een sterk bewijs dat dergelijke structurele transformaties veel algemener kunnen zijn en terug kunnen worden gekoppeld aan meer realistische systemen.

"Het begrijpen van het kristallisatieproces is vooral belangrijk voor het controleren en voorspellen van de geproduceerde structuur, " zegt Runfang Mao, een huidige Lehigh Ph.D. student en co-auteur op het papier. "Hoewel nuttig in veel gevallen, de klassieke kiemvormingstheorie wordt in veel systemen als ongeldig beschouwd. We laten zien dat een dergelijke grootte-afhankelijke structurele transformatie een van die uitzonderingen is, en dat het wordt aangedreven door thermodynamische eigenschappen van eindige kristallieten. Voor zover we weten, dergelijke grootte-afhankelijke structurele transformatie is niet duidelijk elders in de literatuur geïllustreerd."

Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang in het artikel "Grootteafhankelijke thermodynamische structurele selectie bij colloïdale kristallisatie." Naast Mittal en Mao, auteurs zijn onder meer Evan Pretti, Hasan Zerze, Minseok Song en Yajun Ding - alle huidige of voormalige studenten in Lehigh's P.C. Rossin College of Engineering en Toegepaste Wetenschappen.

Mittal en zijn team bestudeerden hoe bepaalde mengsels van colloïden met aan hun oppervlak vastgemaakte DNA-strengen kristalliseren tot tweedimensionale roosters terwijl de colloïden met elkaar interageren. Kristallisatie, zoals Pretti uitlegt, begint met kleine clusters van deeltjes die groeien en aggregeren, en onder bepaalde voorwaarden, deze kristallieten kunnen in de ene kristalstructuur beginnen en in de loop van de tijd in een andere veranderen.

"Wij vinden dat voor ons systeem, deze transformaties kunnen worden verklaard op basis van hoe de relatieve thermodynamische stabiliteit van de verschillende structuren wordt beïnvloed door de grootte van de kristallieten, " zegt Pretti. " In het bijzonder, voor klein genoeg kristallieten, de thermodynamica van de oppervlakken wordt belangrijk genoeg om de structuur te kunnen beïnvloeden, die de waargenomen transformaties tijdens zelfassemblage veroorzaakt."

Volgens Mittal, deze DNA-gefunctionaliseerde systemen zijn van bijzonder belang op het gebied van colloïdale assemblage, vanwege de grote flexibiliteit en verscheidenheid aan mogelijkheden die worden geboden door het gebruik van verschillende soorten deeltjes en sequenties van DNA. hun resultaten, echter, zijn niet beperkt tot dergelijke systemen, maar zou een beter begrip kunnen opleveren van hoe andere soorten kristallisatieprocessen werken en kunnen worden gecontroleerd.

Het team begon standaard moleculaire dynamica-simulaties te gebruiken om te begrijpen hoe hun systeem zich gedroeg. Om te bewijzen dat de transformaties die ze zagen van thermodynamische oorsprong waren, ze namen een bestaande methode die werd gebruikt om relatieve thermodynamische stabiliteiten van periodieke kristallijne vaste stoffen te berekenen, en wijzigde het zodat ze hun eindige kristallieten konden analyseren.

"We hebben een structurele transformatie geïdentificeerd die omkeerbaar is en kan worden verklaard met alleen de thermodynamica van de eindige kristallen zelf, ", zegt Mittal. "Ons werk kan een nieuwe manier bieden om transformaties in DNA-gefunctionaliseerde deeltjessystemen en mogelijk ook in andere soorten kristallen te bekijken en te verklaren."