Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben zojuist een grote stap gezet in de richting van het ontwerp van dynamische nanomaterialen waarvan de structuur en bijbehorende eigenschappen op aanvraag kunnen worden geschakeld. In een krant die verschijnt in Natuurmaterialen , ze beschrijven een manier om de nanodeeltjes selectief te herschikken in driedimensionale arrays om verschillende configuraties te produceren, of fasen, van dezelfde nanocomponenten.

"Een van de doelen bij de zelfassemblage van nanodeeltjes was het creëren van structuren door ontwerp, " zei Oleg Gang, die het werk leidde bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "Tot nu, de meeste constructies die we hebben gebouwd waren statisch. Nu proberen we een nog ambitieuzer doel te bereiken:materialen maken die kunnen transformeren, zodat we kunnen profiteren van eigenschappen die ontstaan ​​door de herschikkingen van de deeltjes."

Het vermogen om herschikkingen van deeltjes te sturen, of faseveranderingen, zal de wetenschappers in staat stellen om de gewenste eigenschappen te kiezen, bijvoorbeeld, de reactie van het materiaal op licht of een magnetisch veld - en schakel ze indien nodig. Dergelijke faseveranderende materialen kunnen leiden tot nieuwe toepassingen, zoals dynamische energie-oogst of responsieve optische materialen.

DNA-gerichte herschikking

Deze nieuwste vooruitgang in engineering op nanoschaal bouwt voort op het eerdere werk van het team om manieren te ontwikkelen om nanodeeltjes zichzelf te laten assembleren tot complexe composietarrays, inclusief het aan elkaar koppelen van kettingen die zijn gemaakt van complementaire strengen synthetisch DNA. In dit geval, ze begonnen met een verzameling nanodeeltjes die al in een regelmatige reeks waren verbonden door de complementaire binding van de A, T, G, en C-basen op enkelstrengs DNA-tethers, vervolgens "herprogrammering" van DNA-strengen toegevoegd om de interacties tussen de deeltjes te veranderen.

"We weten dat eigenschappen van materialen die zijn opgebouwd uit nanodeeltjes sterk afhankelijk zijn van hun rangschikking, "zei Bende. "Vroeger, we hebben zelfs optische eigenschappen kunnen manipuleren door de DNA-kabels in te korten of te verlengen. Maar die aanpak staat ons niet toe om een ​​globale reorganisatie van de hele structuur te realiseren als deze al gebouwd is."

Bij de nieuwe aanpak de herprogrammerende DNA-strengen hechten zich aan open bindingsplaatsen op de reeds geassembleerde nanodeeltjes. Deze strengen oefenen extra krachten uit op de gekoppelde nanodeeltjes.

"Door verschillende soorten herprogrammering van DNA-strengen te introduceren, we modificeren de DNA-schillen rond de nanodeeltjes, " verklaarde CFN-postdoctoraal fellow Yugang Zhang, de hoofdauteur van het papier. "Het veranderen van deze schillen kan selectief de deeltjes-deeltje interacties verschuiven, ofwel door zowel aantrekking als afstoting te vergroten, of door afzonderlijk alleen aantrekking of alleen afstoting te vergroten. Deze geherprogrammeerde interacties leggen nieuwe beperkingen op aan de deeltjes, hen dwingen om een ​​nieuwe structurele organisatie te realiseren om aan die beperkingen te voldoen."

Met behulp van hun methode, het team toonde aan dat ze hun oorspronkelijke nanodeeltjes-array konden veranderen, de "moeder" fase, in meerdere verschillende dochterfasen met precisiecontrole.

Dit is heel anders dan faseveranderingen die worden veroorzaakt door externe fysieke omstandigheden zoals druk of temperatuur, bende zei, die typisch resulteren in eenfasige verschuivingen, of soms opeenvolgende. "In die gevallen om van fase A naar fase C te gaan, je moet eerst van A naar B en dan van B naar C, "zei Gang. "Onze methode stelt ons in staat om te kiezen welke dochterfase we willen en daar direct naar toe te gaan, omdat de dochterfase volledig wordt bepaald door het type DNA-herprogrammeringsstrengen die we gebruiken."

De wetenschappers waren in staat om de structurele transformaties naar verschillende dochterfasen te observeren met behulp van een techniek die in situ kleine-hoek röntgenverstrooiing wordt genoemd bij de National Synchrotron Light Source, een andere DOE Office of Science User Facility die van 1982 tot afgelopen september in Brookhaven Lab werkte (nu vervangen door NSLS-II, die röntgenstralen produceert 10, 000 keer helderder). Het team gebruikte ook computationele modellering om te berekenen hoe verschillende soorten herprogrammeringsstrengen de interacties tussen de deeltjes zouden veranderen, en ontdekten dat hun berekeningen goed overeenkwamen met hun experimentele waarnemingen.

"De mogelijkheid om de fase van een hele superrooster-array dynamisch te veranderen, maakt het mogelijk om herprogrammeerbare en schakelbare materialen te creëren waarin meerdere, verschillende functies kunnen op aanvraag worden geactiveerd, " zei Gang. "Ons experimenteel werk en bijbehorende theoretische analyse bevestigen dat het herprogrammeren van DNA-gemedieerde interacties tussen nanodeeltjes een haalbare manier is om dit doel te bereiken."