Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een algemene benadering ontwikkeld voor het combineren van verschillende soorten nanodeeltjes om grootschalige composietmaterialen te produceren. De techniek, beschreven in een paper dat online is gepubliceerd door Natuur Nanotechnologie op 20 oktober, 2013, opent veel mogelijkheden voor het mengen en matchen van deeltjes met verschillende magnetische, optisch, of chemische eigenschappen om nieuwe, multifunctionele materialen of materialen met verbeterde prestaties voor een breed scala aan potentiële toepassingen.

De aanpak maakt gebruik van de aantrekkelijke paring van complementaire strengen van synthetisch DNA, gebaseerd op het molecuul dat de genetische code draagt ​​in zijn sequentie van gematchte basen bekend onder de letters A, T, G, en C. Na het coaten van de nanodeeltjes met een chemisch gestandaardiseerd "constructieplatform" en het toevoegen van extender-moleculen waaraan DNA gemakkelijk kan binden, de wetenschappers hechten complementaire, in het laboratorium ontworpen DNA-strengen aan de twee verschillende soorten nanodeeltjes die ze willen koppelen. De natuurlijke paring van de bijpassende strengen "assembleert" de deeltjes vervolgens zelf tot een driedimensionale reeks bestaande uit miljarden deeltjes. De lengte van de DNA-linkers variëren, hun oppervlaktedichtheid op deeltjes, en andere factoren geven wetenschappers de mogelijkheid om verschillende soorten nieuw gevormde materialen en hun eigenschappen te controleren en te optimaliseren.

"Onze studie toont aan dat DNA-gestuurde assemblagemethoden de creatie van grootschalige 'superrooster'-nanocomposieten mogelijk maken uit een breed scala aan nanocomponenten die nu beschikbaar zijn, waaronder magnetische, katalytisch, en fluorescerende nanodeeltjes, " zei Brookhaven-natuurkundige Oleg Gang, die het onderzoek leidde bij het Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN). "Deze vooruitgang bouwt voort op ons eerdere werk met eenvoudigere systemen, waar we hebben aangetoond dat het koppelen van nanodeeltjes met verschillende functies de prestaties van de afzonderlijke deeltjes kan beïnvloeden, en biedt routes voor de fabricage van nieuwe materialen met gecombineerde, versterkt, of zelfs gloednieuwe functies."

Toekomstige toepassingen kunnen kwantumdots omvatten waarvan de gloeiende fluorescentie kan worden gecontroleerd door een extern magnetisch veld voor nieuwe soorten schakelaars of sensoren; gouden nanodeeltjes die synergetisch de helderheid van de fluorescerende gloed van kwantumstippen versterken; of katalytische nanomaterialen die de "gifstoffen" absorberen die normaal hun prestaties verminderen, zei Bende.

"Moderne nanosynthesemethoden bieden wetenschappers verschillende soorten nanodeeltjes uit een breed scala aan atomaire elementen, " zei Yugang Zhang, eerste auteur van het artikel. “Met onze aanpak wetenschappers kunnen paren van deze deeltjes op een rationele manier onderzoeken."

Het koppelen van ongelijke deeltjes brengt veel uitdagingen met zich mee die de wetenschappers hebben onderzocht in het werk dat tot dit artikel heeft geleid. Om de fundamentele aspecten van verschillende nieuw gevormde materialen te begrijpen, gebruikten ze een breed scala aan technieken, inclusief röntgenverstrooiingsstudies bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS) en spectroscopie en elektronenmicroscopie bij de CFN.

Bijvoorbeeld, de wetenschappers onderzochten het effect van deeltjesvorm. "In principe, verschillend gevormde deeltjes willen niet naast elkaar bestaan ​​in één rooster, "Zei Gang. "Ze hebben ofwel de neiging om uiteen te vallen in verschillende fasen, zoals olie en water die weigeren te mengen, of ze vormen ongeordende structuren." De wetenschappers ontdekten dat DNA niet alleen de deeltjes helpt te mengen, maar maar het kan ook de orde voor dergelijke systemen verbeteren wanneer een dikkere DNA-schil rond de deeltjes wordt gebruikt.

Ze onderzochten ook hoe het DNA-koppelingsmechanisme en andere intrinsieke fysieke krachten, zoals magnetische aantrekking tussen deeltjes, kunnen concurreren tijdens het assemblageproces. Bijvoorbeeld, magnetische deeltjes hebben de neiging om samen te klonteren om aggregaten te vormen die de binding van DNA van een ander type deeltje kunnen belemmeren. "We laten zien dat kortere DNA-strengen effectiever zijn in het concurreren tegen magnetische aantrekkingskracht, ' zei Bende.

Voor de specifieke samenstelling van goud en magnetische nanodeeltjes die ze creëerden, de wetenschappers ontdekten dat het toepassen van een extern magnetisch veld de fase van het materiaal kan "omschakelen" en de volgorde van de deeltjes kan beïnvloeden. "Dit was slechts een demonstratie dat het kan, maar het zou een toepassing kunnen hebben, misschien magnetische schakelaars, of materialen die op verzoek van vorm kunnen veranderen, " zei Zhang.

De derde fundamentele factor die de wetenschappers onderzochten, was hoe de deeltjes in de superroosterreeksen waren gerangschikt:neemt het ene type deeltje altijd dezelfde positie in ten opzichte van de andere type-achtige jongens en meisjes die afwisselend op stoelen in een bioscoop zitten - of zijn ze meer willekeurig afgewisseld? "Dit is wat we een compositorische orde noemen, wat bijvoorbeeld belangrijk is voor kwantumdots omdat hun optische eigenschappen, bijv. hun vermogen om te gloeien hangt af van hoeveel gouden nanodeeltjes zich in de omgeving bevinden, " zei Gang. "Als je een compositiestoornis hebt, de optische eigenschappen zouden anders zijn." In de experimenten, door de dikte van de zachte DNA-schillen rond de deeltjes te vergroten, nam de samenstellingsstoornis toe.

Deze fundamentele principes geven wetenschappers een kader voor het ontwerpen van nieuwe materialen. De specifieke voorwaarden die voor een bepaalde toepassing vereist zijn, zijn afhankelijk van de gebruikte deeltjes, Zhang benadrukte, maar de benadering van de algemene vergadering zou hetzelfde zijn.

zei bende, "We kunnen de lengte van de DNA-strengen variëren om de afstand tussen deeltjes te veranderen van ongeveer 10 nanometer tot minder dan 100 nanometer - wat belangrijk is voor toepassingen omdat veel optische, magnetisch, en andere eigenschappen van nanodeeltjes zijn afhankelijk van de positionering op deze schaal. We zijn enthousiast over de wegen die dit onderzoek opent in termen van toekomstige richtingen voor het ontwerpen van nieuwe klassen van materialen die gebruikmaken van collectieve effecten en multifunctionaliteit."