De natuur is een bouwmeester. Door gebruik te maken van een bottom-upbenadering, de natuur neemt kleine atomen en, door chemische binding, maakt kristallijne materialen, zoals diamanten, silicium en zelfs keukenzout. Bij allemaal, de eigenschappen van de kristallen hangen af ​​van het type en de rangschikking van atomen in het kristalrooster.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van de Northwestern University heeft geleerd hoe ze de natuur kunnen overtreffen door kristallijne materialen te maken van nanodeeltjes en DNA, hetzelfde materiaal dat de genetische code voor alle levende organismen definieert.

Nanodeeltjes gebruiken als "atomen" en DNA als "bindingen, " de wetenschappers hebben geleerd hoe ze kristallen kunnen maken met de deeltjes gerangschikt in dezelfde soorten atomaire roosterconfiguraties als sommige in de natuur, maar ze hebben ook volledig nieuwe structuren gebouwd die geen natuurlijk voorkomende minerale tegenhanger hebben.

De basisontwerpregels die de noordwestelijke wetenschappers hebben opgesteld voor deze benadering van het assembleren van nanodeeltjes, beloven de mogelijkheid om een ​​verscheidenheid aan nieuwe materialen te creëren die nuttig kunnen zijn bij katalyse, elektronica, optiek, biogeneeskunde en energieopwekking, opslag- en conversietechnologieën.

De nieuwe methode en ontwerpregels voor het maken van kristallijne materialen van nanostructuren en DNA zullen op 14 oktober door het tijdschrift worden gepubliceerd Wetenschap .

"We bouwen een soort nieuw periodiek systeem, " zei professor Chad A. Mirkin, die het onderzoek leidde. "Door deze nieuwe ontwerpregels en nanodeeltjes te gebruiken als 'kunstmatige atomen, ' we hebben manieren van gecontroleerde kristallisatie ontwikkeld die zijn, in veel opzichten, krachtiger dan de manier waarop de natuur en scheikundigen kristallijne materialen maken van atomen. Door de grootte te regelen, vorm, type en locatie van nanodeeltjes binnen een bepaald rooster, we kunnen volledig nieuwe materialen en rangschikkingen van deeltjes maken, niet alleen wat de natuur dicteert."

Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences en hoogleraar geneeskunde, chemische en biologische techniek, biomedische technologie en materiaalkunde en techniek en directeur van Northwestern's International Institute for Nanotechnology (IIN).

"Als we eenmaal een bepaald type rooster hebben, ' zei Mirkin, "de deeltjes kunnen dichter bij elkaar of verder uit elkaar worden bewogen door de lengte van het onderling verbonden DNA te veranderen, waardoor een bijna oneindige afstembaarheid wordt geboden."

"Dit werk is het resultaat van een interdisciplinaire samenwerking die synthetische chemie koppelde aan theoretische modelbouw, " zei co-auteur George C. Schatz, een wereldberoemde theoreticus en de Charles E. en Emma H. ​​Morrison Professor of Chemistry aan Northwestern. “Voor de ontwikkeling van de ontwerpregels was het heen en weer tussen synthese en theorie cruciaal. Samenwerking is een bijzonder aspect van onderzoek bij Northwestern, en het werkte zeer effectief voor dit project."

In de studie, de onderzoekers beginnen met twee oplossingen van nanodeeltjes omhuld met enkelstrengs DNA. Ze voegen dan DNA-strengen toe die binden aan deze DNA-gefunctionaliseerde deeltjes, die vervolgens een groot aantal "plakkerige uiteinden" van DNA presenteren op een gecontroleerde afstand van het deeltjesoppervlak; deze kleverige uiteinden binden zich vervolgens aan de kleverige uiteinden van aangrenzende deeltjes, het vormen van een macroscopische rangschikking van nanodeeltjes.

Verschillende kristalstructuren worden bereikt door verschillende combinaties van nanodeeltjes (met verschillende groottes) en DNA-linkerstrengen (met regelbare lengtes) te gebruiken. Na een proces van mengen en verwarmen, de geassembleerde deeltjes gaan over van een aanvankelijk ongeordende toestand naar een toestand waarin elk deeltje precies is gelokaliseerd volgens een kristalroosterstructuur. Het proces is analoog aan hoe geordende atomaire kristallen worden gevormd.

De onderzoekers rapporteren zes ontwerpregels die kunnen worden gebruikt om de relatieve stabiliteit van verschillende structuren voor een bepaalde reeks nanodeeltjesgroottes en DNA-lengtes te voorspellen. In de krant, ze gebruiken deze regels om 41 verschillende kristalstructuren te maken met negen verschillende kristalsymmetrieën. Echter, de ontwerpregels schetsen een strategie om elk van de relevante kristallografische parameters onafhankelijk aan te passen, inclusief deeltjesgrootte (variërend van 5 tot 60 nanometer), kristalsymmetrie en roosterparameters (die kunnen variëren van 20 tot 150 nanometer). Dit betekent dat deze 41 kristallen slechts een klein voorbeeld zijn van het bijna oneindige aantal roosters dat zou kunnen worden gemaakt met behulp van verschillende nanodeeltjes en DNA-strengen.

Mirkin en zijn team gebruikten gouden nanodeeltjes in hun werk, maar merk op dat hun methode ook kan worden toegepast op nanodeeltjes met andere chemische samenstellingen. Zowel het type nanodeeltje dat is geassembleerd als de symmetrie van de geassembleerde structuur dragen bij aan de eigenschappen van een rooster, waardoor deze methode een ideaal middel is om materialen te creëren met voorspelbare en controleerbare fysieke eigenschappen.

Mirkin gelooft dat een dag binnenkort, Er zal software worden gemaakt waarmee wetenschappers de deeltjes- en DNA-paren kunnen kiezen die nodig zijn om bijna elke structuur op aanvraag te maken.