(Phys.org) —Dromen van nanostructuren die wenselijke optische, elektronisch, of magnetische eigenschappen is één ding. Uitzoeken hoe ze te maken is een andere. Een nieuwe strategie maakt gebruik van de bindende eigenschappen van complementaire DNA-strengen om nanodeeltjes aan elkaar te hechten en bouwt een gelaagde dunne-film nanostructuur op via een reeks gecontroleerde stappen. Onderzoek bij de Advanced Photon Source van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science heeft de precieze vorm onthuld die de structuren hebben aangenomen, en wijst op manieren om nog meer controle over de uiteindelijke regeling uit te oefenen.

Het idee om DNA te gebruiken om nanodeeltjes vast te houden, werd meer dan 15 jaar geleden bedacht door Chad Mirkin en zijn onderzoeksteam aan de Northwestern University. Ze bevestigden korte stukjes enkelstrengs DNA met een bepaalde sequentie aan sommige nanodeeltjes, en vervolgens DNA met de complementaire sequentie aan anderen bevestigd. Toen de deeltjes mochten mengen, de "kleverige uiteinden" van het DNA met elkaar verbonden, omkeerbare aggregatie en desaggregatie mogelijk te maken, afhankelijk van de hybridisatie-eigenschappen van de DNA-linkers.

Onlangs, deze "slimme lijm" van DNA is gebruikt om nanodeeltjes te assembleren tot geordende arrangementen die lijken op atomaire kristalroosters, maar op grotere schaal. Daten, superroosters van nanodeeltjes zijn gesynthetiseerd in meer dan 100 kristalvormen, waaronder enkele die nog nooit in de natuur zijn waargenomen.

Echter, deze superroosters zijn typisch polykristallijn, en de maat, nummer, en de oriëntatie van de kristallen daarin is in het algemeen onvoorspelbaar. Om bruikbaar te zijn als metamaterialen, fotonische kristallen, en dergelijke, enkele superroosters met consistente grootte en vaste oriëntatie zijn nodig.

Noordwest-onderzoekers en een collega van het Argonne National Laboratory hebben een variatie op de DNA-koppelingsprocedure bedacht die een grotere mate van controle mogelijk maakt.

De basiselementen van het superrooster waren gouden nanodeeltjes, elk 10 nanometer breed. Deze deeltjes zijn gemaakt in twee verschillende varianten, één versierd met ongeveer 60 DNA-strengen van een bepaalde sequentie, terwijl de andere de complementaire sequentie droeg.

De onderzoekers bouwden dunne-film superroosters op een siliciumsubstraat dat ook was bedekt met DNA-strengen. In een reeks experimenten, het substraat-DNA was allemaal van één sequentie - noem het de "B" -sequentie - en het werd eerst ondergedompeld in een suspensie van nanodeeltjes met de complementaire "A" -sequentie.

Als de A en B met elkaar verbonden zijn, de nanodeeltjes vormden een enkele laag op het substraat. Daarna werd het proces herhaald met een suspensie van de B-type nanodeeltjes, om een ​​tweede laag te vormen. De hele cyclus herhaalde zich, maar liefst vier keer, om een ​​meerlagig superrooster van nanodeeltjes te creëren in de vorm van een dunne film.

Onderzoeken naar grazingsincidentie met kleine hoek x-ray scattering (GISAXS) uitgevoerd bij de X-ray Science Division 12-ID-B bundellijn bij de Argonne Advanced Photon Source onthulden de symmetrie en oriëntatie van de superroosters toen ze zich vormden. Zelfs na slechts drie halve cycli, ontdekte het team dat de nanodeeltjes zichzelf hadden gerangschikt in een goed gedefinieerde, lichaamsgecentreerde kubieke (bcc) structuur, die werd gehandhaafd naarmate er meer lagen werden toegevoegd.

In een tweede reeks experimenten, de onderzoekers zaaiden het substraat met een mix van zowel de A- als de B-type DNA-streng. Opeenvolgende blootstelling aan de twee typen nanodeeltjes produceerde hetzelfde bcc-superrooster, maar met een andere verticale oriëntatie. Dat is, in het eerste geval, het substraat lag op een vlak door het rooster met slechts één type nanodeeltje, terwijl in het tweede geval het vlak bevatte een afwisselend patroon van beide typen (zie de figuur).

Om een ​​geordende superroostergroei te krijgen, de onderzoekers moesten het proces bij de juiste temperatuur uitvoeren. Te koud, en de nanodeeltjes zouden op een onregelmatige manier aan het substraat blijven kleven, en blijven hangen. Te heet, en de DNA-koppelingen zouden niet bij elkaar blijven.

Maar in een temperatuurbereik van een paar graden aan weerszijden van ongeveer 40° C (net onder de temperatuur waarbij de DNA-kleverige uiteinden van elkaar loskomen), de nanodeeltjes konden continu aan elkaar gekoppeld en ontkoppeld worden. Gedurende een periode van ongeveer een uur per halve cyclus, ze vestigden zich in het bcc-superrooster, de meest thermodynamisch stabiele opstelling.

GISAXS onthulde ook dat hoewel het substraat superroosters in specifieke verticale uitlijningen dwong, hierdoor konden de nanodeeltjeskristallen zich in elke horizontale richting vormen. De onderzoekers onderzoeken nu de mogelijkheid dat door het substraat op een geschikte manier te modelleren, ze kunnen de oriëntatie van de kristallen in beide dimensies regelen, het vergroten van de praktische waarde van de techniek.