(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie rapporteren de eerste succesvolle assemblage van 3D-multicomponentstructuren op nanoschaal met instelbare optische eigenschappen die lichtabsorberende en -emitterende deeltjes bevatten. Dit werk, synthetisch DNA gebruiken als programmeerbare component om de nanodeeltjes te koppelen, demonstreert de veelzijdigheid van op DNA gebaseerde nanotechnologie voor de fabricage van functionele klassen van materialen, vooral optische, met mogelijke toepassingen in apparaten voor het omzetten van zonne-energie, sensoren, en schakelingen op nanoschaal. Het onderzoek is op 29 september online gepubliceerd, 2010, in het journaal Nano-letters .

“Voor het eerst hebben we een strategie gedemonstreerd voor de assemblage van 3D, goed gedefinieerd, optisch actieve structuren met behulp van DNA-gecodeerde componenten van verschillende typen, ", zegt hoofdauteur Oleg Gang van Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN). Net als eerder werk van Gang en zijn collega's, deze techniek maakt gebruik van de hoge specificiteit van binding tussen complementaire DNA-strengen om deeltjes op een precieze manier aan elkaar te koppelen.

In de huidige studie, de DNA-linkermoleculen hadden drie bindingsplaatsen. De twee uiteinden van de strengen zijn ontworpen om te binden aan complementaire strengen op "plasmonische" gouden nanodeeltjes - deeltjes waarin een bepaalde golflengte van licht een collectieve oscillatie van de geleidende elektronen induceert, wat leidt tot een sterke absorptie van licht bij die golflengte. Het interne deel van elke DNA-linker werd gecodeerd om een ​​complementaire streng te herkennen die chemisch gebonden was aan een fluorescerend kleurstofmolecuul. Deze opstelling resulteerde in de zelfassemblage van 3D-lichaamsgecentreerde kubische kristallijne structuren met gouden nanodeeltjes op elke hoek van de kubus en in het midden, met kleurstofmoleculen op gedefinieerde posities daartussenin.

De wetenschappers toonden ook aan dat de geassembleerde structuren dynamisch kunnen worden afgestemd door de zoutconcentratie van de oplossing waarin ze zijn gevormd te veranderen. Veranderingen in het zoutgehalte veranderen de lengte van de negatief geladen DNA-moleculen, wat leidt tot omkeerbare samentrekking en uitzetting van het hele rooster met ongeveer 30 procent in lengte.

"Het is al lang bekend dat de afstand tussen metalen nanodeeltjes en gepaarde kleurstofmoleculen de optische eigenschappen van de laatste kan beïnvloeden, ” zei Matthew Sfeir, co-auteur en een optische wetenschapper bij de CFN. In dit experiment, de uitzetting en samentrekking van het kristalrooster veroorzaakt door de veranderingen in de zoutconcentratie zorgde voor een dramatische modulatie van een optische respons:een drievoudige toename van de emissiesnelheid van de fluorescerende moleculen werd waargenomen.

Deze resultaten werden bepaald met behulp van een combinatie van röntgenverstrooiing onder een kleine hoek bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS) en in de tijd opgeloste fluorescentiemethoden bij de CFN. "Deze combinatie van op synchrotron gebaseerde structurele methoden en in de tijd opgeloste optische beeldvormingstechnieken gaf een onschatbaar direct inzicht in de relatie tussen de structuur en fluorescerende eigenschappen van deze lichtemitterende arrays, ' zei Bende.

“Onze studie behandelt belangrijke vragen over de zelfassemblage van systemen uit componenten van meerdere typen. Dergelijke systemen maken mogelijk de modulatie van eigenschappen van individuele componenten mogelijk, en kan leiden tot het ontstaan ​​van nieuw gedrag als gevolg van collectieve effecten. Deze assemblagebenadering kan worden toegepast om dergelijk collectief gedrag van driedimensionale nano-optische arrays te onderzoeken - bijvoorbeeld de invloed van het plasmonrooster op kwantumstippen.

"Begrip van deze interacties zou relevant zijn voor de ontwikkeling van nieuwe optische materialen voor fotovoltaïsche, fotokatalyse, computergebruik, en lichtgevende toepassingen. We hebben nu een aanpak om deze structuren te maken en deze effecten verder te bestuderen.”