De natuur bouwt onberispelijke diamanten, saffieren en andere edelstenen. Nu is een onderzoeksteam van de Northwestern University de eerste die bijna perfecte eenkristallen bouwt uit nanodeeltjes en DNA, dezelfde structuur gebruiken die door de natuur wordt begunstigd.

"Enkele kristallen vormen de ruggengraat van veel dingen waarop we vertrouwen - diamanten voor schoonheid en industriële toepassingen, saffieren voor lasers en silicium voor elektronica, " zei nanowetenschapper Chad A. Mirkin. "De precieze plaatsing van atomen binnen een goed gedefinieerd rooster definieert deze hoogwaardige kristallen.

"Nu kunnen we hetzelfde doen met nanomaterialen en DNA, de blauwdruk van het leven, "Zei Mirkin. "Onze methode zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën en zelfs nieuwe industrieën mogelijk maken, net zoals het vermogen om silicium in perfecte kristallijne arrangementen te laten groeien, de halfgeleiderindustrie van miljarden dollars mogelijk heeft gemaakt."

Zijn onderzoeksgroep ontwikkelde het "recept" voor het gebruik van nanomaterialen als atomen, DNA als bindingen en een beetje warmte om kleine kristallen te vormen. Dit recept met één kristal bouwt voort op superroostertechnieken die Mirkin's lab al bijna twee decennia ontwikkelt.

In dit recente werk Mirkin, een experimentator, samen met Monica Olvera de la Cruz, een theoreticus, om de nieuwe techniek te evalueren en er begrip voor te ontwikkelen. Gegeven een set nanodeeltjes en een specifiek type DNA, Olvera de la Cruz toonde aan dat ze de 3D-structuur nauwkeurig kunnen voorspellen, of kristalvorm, waarin de ongeordende componenten zichzelf zullen assembleren.

Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Olvera de la Cruz is advocaat Taylor Professor en professor in materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering and Applied Science. De twee zijn senior co-auteurs van de studie.

De resultaten worden op 27 november gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

De algemene set instructies geeft onderzoekers ongekende controle over het type en de vorm van kristallen die ze kunnen bouwen. Het Northwestern-team werkte met gouden nanodeeltjes, maar het recept kan op verschillende materialen worden toegepast, met mogelijke toepassingen op het gebied van materiaalkunde, fotonica, elektronica en katalyse.

Een enkel kristal heeft orde:het kristalrooster is doorlopend en ononderbroken. De afwezigheid van defecten in het materiaal kan deze kristallen een unieke mechanische, optische en elektrische eigenschappen, waardoor ze zeer wenselijk zijn.

In de Noordwest-studie strengen complementair DNA fungeren als bindingen tussen ongeordende gouden nanodeeltjes, transformeren ze in een geordend kristal. De onderzoekers stelden vast dat de verhouding tussen de lengte van de DNA-linker en de grootte van het nanodeeltje cruciaal is.

"Als je de juiste verhouding krijgt, is het een perfect kristal - is dat niet leuk?" zei Olvera de la Cruz, die ook hoogleraar scheikunde is aan het Weinberg College of Arts and Sciences. "Dat is het fascinerende, dat je de juiste verhouding moet hebben. We leren zoveel regels voor het berekenen van dingen die andere mensen niet in atomen kunnen berekenen, in atomaire kristallen."

De verhouding beïnvloedt de energie van de vlakken van de kristallen, die de uiteindelijke kristalvorm bepaalt. Verhoudingen die het recept niet volgen leiden tot grote schommelingen in energie en resulteren in een bol, geen gefacetteerd kristal, ze legde uit. Met de juiste verhouding de energieën fluctueren minder en resulteren elke keer in een kristal.

"Stel je voor dat je een miljoen ballen van twee kleuren hebt, wat rood, wat blauw, in een container, en je probeert ze te schudden totdat je afwisselend rode en blauwe ballen krijgt, " legde Mirkin uit. "Het zal nooit gebeuren.

"Maar als je DNA bevestigt dat complementair is aan nanodeeltjes - het rood heeft één soort DNA, zeggen, het blauw zijn complement - en nu schud je, of in ons geval roer er gewoon water door, alle deeltjes zullen elkaar vinden en met elkaar verbinden, " zei hij. "Ze assembleren prachtig tot een driedimensionaal kristal dat we rekenkundig hebben voorspeld en experimenteel hebben gerealiseerd."

Om een ​​zelfassemblerend monokristal in het laboratorium te bereiken, het onderzoeksteam meldt dat ze twee sets gouden nanodeeltjes hebben genomen die zijn uitgerust met complementaire DNA-linkerstrengen. Werken met ongeveer 1 miljoen nanodeeltjes in water, ze verwarmden de oplossing tot een temperatuur net boven het smeltpunt van de DNA-linkers en koelden de oplossing vervolgens langzaam af tot kamertemperatuur, die twee of drie dagen duurde.

Het zeer langzame afkoelingsproces moedigde het enkelstrengs DNA aan om zijn complement te vinden, wat resulteert in een hoogwaardig monokristal van ongeveer drie micron breed. "Het proces geeft het systeem genoeg tijd en energie om alle deeltjes te ordenen en de plekken te vinden waar ze zich zouden moeten bevinden, ' zei Mirkin.

De onderzoekers stelden vast dat de lengte van het DNA verbonden aan elk gouden nanodeeltje niet veel langer kan zijn dan de grootte van het nanodeeltje. In de studie, de gouden nanodeeltjes varieerden van vijf tot 20 nanometer in diameter; voor elk, de DNA-lengte die leidde tot kristalvorming was ongeveer 18 basenparen en zes enkelvoudige "plakkerige uiteinden".

"Er is geen reden waarom we in de toekomst geen buitengewoon grote eenkristallen kunnen kweken met behulp van aanpassingen van onze techniek, " zei Mirkin, die ook hoogleraar geneeskunde is, chemische en biologische techniek, biomedische technologie en materiaalwetenschap en techniek en directeur van Northwestern's International Institute for Nanotechnology.

De titel van het artikel is "DNA-gemedieerde kristallisatie van nanodeeltjes tot Wulff-veelvlakken."

Naast Mirkin en Olvera de la Cruz, auteurs van het artikel zijn Evelyn Auyeung (eerste auteur), Ting I.N.G. Li, Andrew J. Senesi, Abrin L. Schmucker en Bridget C. Pals, allemaal uit het noordwesten.