(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe manier gevonden om een ​​synthetische vorm van DNA te gebruiken om de assemblage van nanodeeltjes te controleren - dit keer resulterend in schakelbare, driedimensionale en kleine clusterstructuren die nuttig kunnen zijn, bijvoorbeeld, als biosensoren, bij zonnecellen, en als nieuwe materialen voor gegevensopslag. Het werk wordt beschreven in Natuur Nanotechnologie, online gepubliceerd op 20 december 2009.

Het Brookhaven-team, onder leiding van natuurkundige Oleg Gang, heeft technieken verfijnd om strengen kunstmatig DNA te gebruiken als een zeer specifiek soort klittenband of lijm om nanodeeltjes met elkaar te verbinden. Een dergelijke op DNA gebaseerde zelfassemblage is veelbelovend voor het rationele ontwerp van een reeks nieuwe materialen voor toepassingen in moleculaire scheiding, elektronica, energie conversie, en andere velden. Maar geen van deze structuren heeft het vermogen gehad om op een programmeerbare manier te veranderen als reactie op moleculaire stimuli - tot nu toe.

"Nu gebruiken we een speciaal type DNA-koppelingsapparaat - een soort 'slimme lijm' - dat beïnvloedt hoe de deeltjes verbinden om structuren te maken die schakelbaar zijn tussen verschillende configuraties, ', zegt Bende. Deze betrouwbare, omkeerbaar schakelen kan worden gebruikt om functionele eigenschappen te regelen - bijvoorbeeld de fluorescentie- en energieoverdrachtseigenschappen van een materiaal - om nieuwe materialen te maken die reageren op veranderende omstandigheden, of om hun functies op verzoek te wijzigen.

Een dergelijk reactievermogen op veranderingen in omgevingscondities en het vermogen om nieuwe vormen aan te nemen zijn kenmerken van levende systemen. Op die manier, deze nieuwe nanomaterialen bootsen biologische systemen beter na dan alle eerdere nanostructuren. Hoewel verre van enige vorm van echt “kunstmatig leven, ” deze materialen kunnen leiden tot het ontwerp van machines op nanoschaal die, op een heel eenvoudig niveau, nabootsen van cellulaire processen zoals het omzetten van zonlicht in bruikbare energie, of het waarnemen van de aanwezigheid van andere moleculen. Responsieve materialen zouden ook voordelen hebben op het gebied van optica of om gereguleerde poreuze materialen te produceren voor moleculaire scheidingen, Bende zegt.

De wetenschappers bereikten het doel van reactievermogen door structuren te creëren waar de afstand tussen nanodeeltjes zorgvuldig kon worden gecontroleerd met nanometernauwkeurigheid.

“Veel fysieke kenmerken van nanomaterialen, zoals optische en magnetische eigenschappen, zijn sterk afhankelijk van de afstand tussen nanodeeltjes, ’, legt Bende uit.

In hun eerdere studies de wetenschappers gebruikten enkelvoudige DNA-strengen die aan individuele nanodeeltjes waren vastgemaakt als linkermoleculen. Toen de vrije uiteinden van deze DNA-strengen complementaire genetische code hadden, ze zouden binden om de deeltjes te hechten. Door de interacties te beperken door enkele van de deeltjes op een oppervlak te verankeren, konden de wetenschappers op betrouwbare wijze een verscheidenheid aan structuren vormen, van clusters met twee deeltjes (dimeren genoemd) tot complexere 3D-kristallen van nanodeeltjes.

In het nieuwe werk de wetenschappers hebben meer gecompliceerde dubbelstrengs DNA-structuren toegevoegd. In tegenstelling tot de enkele strengen, die op oncontroleerbare manieren oprollen, deze dubbelstrengs structuren zijn stijver en beperken daarom de afstanden tussen de deeltjes.

Aanvullend, sommige strengen waaruit de dubbelstrengs DNA-moleculen bestaan, hebben gecompliceerde structuren zoals lussen, die de gebonden deeltjes dichter bij elkaar trekken dan wanneer beide strengen precies evenwijdig zijn. Door het type DNA-apparaat te variëren, tussen lusvormige en niet-geluste strengen, en het meten van de afstanden tussen deeltjes met behulp van precisietechnieken bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS) en bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN), de wetenschappers toonden aan dat ze de afstand tussen de deeltjes effectief konden beheersen en het systeem naar believen van de ene toestand naar de andere konden schakelen.

De aanpak resulteerde in twee configuraties, schakelbare systemen zowel in dimeren als nanokristallen, met een afstandsverandering van ongeveer 6 nanometer - ongeveer 25 procent van de afstand tussen de deeltjes. Door kinetiek in de twee systemen te vergelijken, ze ontdekten dat het schakelen tussen staten sneller gaat in de eenvoudigere, twee-deeltjes systeem. De dimeren behouden ook hun vermogen om nauwkeuriger terug te keren naar hun oorspronkelijke staat dan de 3D-kristallen, wat suggereert dat moleculaire crowding een probleem kan zijn om verder te onderzoeken in de 3D-materialen.

"Onze hoop is dat het vermogen om post-assemblage reorganisatie van deze structuren te induceren door DNA of andere moleculen toe te voegen als externe stimuli, en ons vermogen om deze veranderingen waar te nemen met een resolutie van nanometers, zal ons helpen deze processen te begrijpen en manieren te vinden om ze toe te passen in nieuwe soorten nanomachines waarin de functionaliteit van het systeem wordt bepaald door de nanodeeltjes en hun relatieve organisatie, ', zegt Bende.

Toekomstige studies zullen gebruik maken van nauwkeurige beeldvormingsmogelijkheden, zoals geavanceerde elektronenmicroscopie-instrumenten bij het CFN en röntgentechnieken met een hogere resolutie die beschikbaar zullen komen bij de nieuwe lichtbron van Brookhaven, NSLS-II, nu in aanbouw.