Fotonische kristallen zijn exotische materialen met het vermogen om lichtstralen door kleine ruimtes te geleiden en kunnen vitale componenten zijn van computerchips met een laag vermogen die licht gebruiken in plaats van elektriciteit. Kosteneffectieve manieren om ze te produceren zijn ongrijpbaar gebleken, maar onderzoekers hebben zich onlangs tot een verrassende bron voor hulp gewend:DNA-moleculen.

In een artikel dat op 18 oktober in het tijdschrift verscheen Natuurmaterialen , MIT-onderzoekers, samen met collega's van het Scripps Research Institute en de Universiteit van Rochester, toonden aan dat kleine deeltjes goud en balletjes eiwit die bekend staan ​​als virusachtige deeltjes, beide met strengen DNA eraan vastgemaakt, zouden zichzelf spontaan organiseren in een roosterachtige structuur. Hoewel de materialen zelf niet bruikbaar zijn voor het maken van fotonische kristallen, de afstanden tussen de deeltjes zijn precies die waarmee een fotonisch kristal licht in het zichtbare spectrum kan geleiden.

Fotonische kristallen zijn gemaakt van materialen met zeer verschillende brekingsindices:dat wil zeggen, ze buigen licht in verschillende mate. Afhankelijk van de afstanden tussen de materialen, de kristallen reflecteren licht van een bepaalde golflengte vrijwel zonder verlies. Het afstemmen van een fotonisch kristal op licht in het zichtbare spectrum vereist afstandsmaterialen van slechts nanometers, wat moeilijk te doen is met bestaande fabricagetechnieken. Daten, de enige fotonische kristallen die in het zichtbare spectrum werken, zijn tweedimensionaal:ze kunnen licht reflecteren dat in één vlak reist, maar niet in het loodrechte vlak. Een fotonisch kristal met de afmetingen van het nieuwe goud-en-eiwitrooster van de onderzoekers, echter, licht zou reflecteren in drie dimensies, een cruciale vereiste voor het verplaatsen van licht door de meerdere lagen van een computerchip.

Vreemde bedgenoten

Abigail Lytton-Jean, een postdoc aan het Koch Institute for Integrative Cancer Research van MIT en een van de twee hoofdauteurs van het nieuwe artikel, begon DNA te gebruiken om zelfassemblerende kristallen te maken als afgestudeerde student aan de Northwestern University. Zij en haar adviseur Tsjaad Mirkin, samen met Sung Yong Park, die nu aan de Universiteit van Rochester werkt en co-auteur is van het nieuwe artikel, te, toonde aan dat het bevestigen van DNA-strengen van verschillende sequenties aan gouden nanodeeltjes ervoor zou zorgen dat ze zichzelf organiseren in kristallen met verschillende structuren. Maar dit is de eerste keer dat de truc is uitgevoerd met meerdere materialen.

Hoewel goud en eiwit op zich niet nuttig zijn voor fotonische kristallen, Lytton-Jean zegt, “Dit laat vooral zien dat we twee ongelooflijk verschillende materialen hebben. We hebben een zacht eiwit dat biologisch van aard is, en dan ga je naar de andere kant van het spectrum, waar je een harde metalen bol hebt. En als we dit kunnen doen met deze twee soorten materialen, je zou dit met bijna elk soort materiaal kunnen doen.” Toekomstige fotonische kristallen, ze legt uit, zou heel goed combinaties van metalen en kunststoffen kunnen gebruiken - nogmaals, zachte en harde materialen.

Maar Orlin Velev, Invista Professor in het North Carolina State Department of Chemical and Biomolecular Engineering, zegt, "Ik denk dat de meest opwindende toepassing de samengevoegde co-assemblage van organische en anorganische deeltjes in een enkele structuur is." Hij wijst erop dat apparaten op nanoschaal die biologische moleculen en metalen combineren, kunnen dienen als apparaten voor medicijnafgifte en als goedkope sensoren dat zou klein genoeg zijn om door het lichaam te circuleren.

Volgens Daniël Anderson, een universitair hoofddocent in de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology en een co-auteur van het papier, dat is een andere toepassing die de MIT-onderzoekers onderzoeken. Hij vermeldt, bijvoorbeeld, het veelbelovende nieuwe veld van RNA-interferentie (RNAi), waarin korte strengen RNA worden gebruikt om destructieve biologische processen te onderbreken. Nanodevices die organische en anorganische moleculen combineren, Anderson zegt, zou "potentieel therapeutische moleculen kunnen nemen en ze brengen waar ze heen moeten." Inderdaad, het werk van de onderzoekers werd ondersteund door de National Institutes of Health en het Skaggs Institute for Chemical Biology, evenals de W.M. Keck Foundation,

Velev wijst erop dat het werk van de onderzoekers basiswetenschap is, en dat het "morgen niet voor praktische toepassingen zal worden gebruikt." Lytton-Jean erkent dat om zichzelf te assembleren tot reguliere kristallijne structuren, nanodeeltjes moeten van uniforme grootte zijn, en het vervaardigen ervan volgens nauwkeurige specificaties is geenszins triviaal. “Een decennium geleden, dit was waarschijnlijk niet mogelijk geweest, omdat de synthese van gouden nanodeeltjes niet zo sterk was ontwikkeld als nu, ' zegt ze. Bovendien, zij voegt toe, een van de redenen dat zij en haar collega's goud- en eiwitdeeltjes gebruikten in hun laatste ronde van experimenten, is dat de chemie voor het bevestigen van DNA aan goud en eiwit goed wordt begrepen. Maar, zij voegt toe, “Er is veel werk verzet aan de modificatie van polymere nanodeeltjes. De chemie is waarschijnlijk geen groot probleem.”