Het proces van kristallisatie, waarin atomen of moleculen in geordende rijen staan, zoals soldaten in formatie, is de basis voor veel van de materialen die het moderne leven bepalen, inclusief het silicium in microchips en zonnecellen. Maar hoewel veel nuttige toepassingen voor kristallen betrekking hebben op hun groei op vaste oppervlakken (in plaats van in oplossing), er is een gebrek aan goede hulpmiddelen om dit soort groei te bestuderen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van MIT en Draper heeft een manier gevonden om de groei van kristallen op oppervlakken te reproduceren, maar op grotere schaal maakt dat het proces veel gemakkelijker te bestuderen en te analyseren. De nieuwe aanpak wordt beschreven in een paper in het tijdschrift Natuurmaterialen , door Robert Macfarlane en Leonardo Zomberg aan het MIT, en Diana Lewis Ph.D. '19 en David Carter bij Draper.

In plaats van deze kristallen uit echte atomen te assembleren, de sleutel tot het gemakkelijk observeren en kwantificeren van het proces was het gebruik van "programmeerbare atoomequivalenten, " of PAE's, Macfarlane legt uit. Dit werkt omdat de manier waarop atomen zich in kristalroosters opstellen volledig een kwestie van geometrie is en niet afhankelijk is van de specifieke chemische of elektronische eigenschappen van de bestanddelen.

Het team gebruikte bolvormige nanodeeltjes van goud, gecoat met speciaal geselecteerde enkele strengen genetisch gemanipuleerd DNA, waardoor de deeltjes er ongeveer uitzien als Koosh-ballen. Enkele DNA-strengen hebben de inherente eigenschap om zich stevig vast te hechten aan de overeenkomstige wederzijdse strengen, om de klassieke dubbele helix te vormen, dus deze configuratie biedt een trefzekere manier om de deeltjes zich op precies de gewenste manier uit te lijnen.

"Als ik een zeer dichte borstel van DNA op het deeltje leg, het gaat zoveel mogelijk banden aangaan met zoveel mogelijk naaste buren, ", zegt Macfarlane. "En als je alles goed ontwerpt en correct verwerkt, ze zullen geordende kristalstructuren vormen." Hoewel dat proces al enkele jaren bekend is, dit werk is het eerste dat dat principe toepast om de groei van kristallen op oppervlakken te bestuderen.

"Begrijpen hoe kristallen vanaf een oppervlak omhoog groeien, is ongelooflijk belangrijk voor veel verschillende velden, " zegt hij. De halfgeleiderindustrie, bijvoorbeeld, is gebaseerd op de groei van grote monokristallijne of multikristallijne materialen die met grote precisie moeten worden gecontroleerd, toch zijn de details van het proces moeilijk te bestuderen. Dat is de reden waarom het gebruik van overmaatse analogen zoals de PAE's zo'n voordeel kan hebben.

de PAE's, hij zegt, "kristalliseren in precies dezelfde paden als moleculen en atomen. En dus zijn ze een heel mooi proxy-systeem om te begrijpen hoe kristallisatie plaatsvindt." Met dit systeem, de eigenschappen van het DNA bepalen hoe de deeltjes assembleren en in welke 3D-configuratie ze terechtkomen.

Ze ontwierpen het systeem zodanig dat de kristallen kiemen en groeien vanaf een oppervlak en "door de interacties tussen deeltjes, en tussen de deeltjes en het DNA-gecoate oppervlak, we kunnen de grootte dicteren, de vorm, de oriëntatie en de mate van anisotropie (directionaliteit) in het kristal, ' zegt Macfarlane.

"Door het proces te begrijpen dat dit doormaakt om deze kristallen daadwerkelijk te vormen, we kunnen dat potentieel gebruiken om kristallisatieprocessen in het algemeen te begrijpen, " hij voegt toe.

Hij legt uit dat niet alleen de resulterende kristalstructuren ongeveer 100 keer groter zijn dan de werkelijke atomaire structuren, maar hun vormingsprocessen zijn ook veel langzamer. De combinatie maakt het proces veel gemakkelijker in detail te analyseren. Eerdere methoden voor het karakteriseren van dergelijke kristallijne structuren toonden alleen hun eindtoestanden, waardoor complexiteit in het vormingsproces ontbreekt.

"Ik zou de DNA-sequentie kunnen veranderen. Ik kan het aantal DNA-strengen in het deeltje veranderen. Ik kan de grootte van het deeltje veranderen en ik kan elk van deze individuele handvatten onafhankelijk aanpassen, " zegt Macfarlane. "Dus als ik wilde kunnen zeggen, OKE, Ik veronderstel dat deze specifieke structuur onder deze omstandigheden de voorkeur zou hebben als ik de energieën op zo'n manier zou afstemmen, dat is een veel gemakkelijker systeem om met de PAE's te bestuderen dan met atomen zelf."

Het systeem is zeer effectief, hij zegt, maar DNA-strengen die zodanig zijn gemodificeerd dat ze aan nanodeeltjes kunnen worden gehecht, kunnen behoorlijk duur zijn. Als volgende stap, het Macfarlane-lab heeft ook op polymeren gebaseerde bouwstenen ontwikkeld die veelbelovend zijn bij het repliceren van dezelfde kristallisatieprocessen en materialen, maar kan goedkoop worden gemaakt op een schaal van meerdere grammen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.