Nanotechnologie zet haar eerste stappen. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart hebben een gouden nanocilinder ontwikkeld die is uitgerust met discrete DNA-strengen als 'voeten' die over een DNA-origamiplatform kunnen lopen. Ze kunnen de bewegingen van de nanowalker volgen, die kleiner is dan de optische resolutielimiet, door opwindende plasmonen in de gouden nanocilinder. Plasmonen zijn collectieve oscillaties van talrijke elektronen. De excitatie verandert de lichtstraal, waardoor de onderzoekers de nanowalker daadwerkelijk kunnen observeren. Hun belangrijkste doel is om met dergelijke mobiele plasmonische nano-objecten te bestuderen hoe minuscule deeltjes interageren met licht.

Nanomachines – d.w.z. mechanische apparaten met afmetingen van nanometers – zouden op een dag specifieke taken kunnen uitvoeren op gebieden als geneeskunde, informatieverwerking, scheikunde of wetenschappelijk onderzoek, volgens nanotechnologie-experts. Maar miniatuurmachines die duizenden keren kleiner zijn dan de diameter van een mensenhaar, stellen wetenschappers voor grote uitdagingen:ten eerste, de afzonderlijke bestanddelen bestaan ​​slechts uit een klein aantal atomen; het is nauwelijks mogelijk om met dergelijke componenten om te gaan, laat staan ​​ze op een precieze manier in elkaar zetten. Bovendien, de machines zouden dan van energie moeten worden voorzien. En uiteindelijk, de onderzoekers kunnen niet zomaar controleren of hun apparaat wel werkt. De microscopietechnieken die nodig zijn voor dergelijke observatie zijn complex en vereisen bijvoorbeeld vacuümkamers, waarin de apparaten zouden worden vernietigd. Aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart, een team van onderzoekers, waaronder Chao Zhou en Xiaoyang Duan, onder leiding van Laura Na Liu heeft nu een nanowalker gemaakt die ze kunnen observeren met behulp van een nano-optisch effect.

Het lichaam van de nanowalker bestaat uit een gouden cilinder van 35 nanometer lang en tien nanometer breed. "Het oppervlak van de cilinder is geprimed met talloze identieke DNA-strengen die effectief als voeten dienen, " Groepsleider Liu legt uit. Deze DNA-strengen steken uit de gouden cilinder als de haren van een flessenborstel. "Ze zorgen ervoor dat de gouden cilinder contact maakt met het onderliggende oppervlak en eroverheen beweegt."

De nanowalker schrijdt over een tapijt van DNA-strengen

De loopbrug van de gouden cilinder bestaat ook uit DNA - een DNA-origamisjabloon, precies zijn. Uit deze gevouwen DNA-steiger, zoals vezels van een tapijt, zijn longitudinale rijen van korte strengen die evenwijdig aan de cilinder lopen en dienen als steunpunten voor de kleine voetjes van de wandelaar. Elke rij in het DNA-tapijt bestaat uit een andere combinatie van basen, en elke rij vertegenwoordigt één station. aanvankelijk, de voeten van de wandelaar binden met twee aangrenzende rijen, terwijl de steunpunten van de andere rijen geblokkeerd blijven.

"De rollator beweegt naar voren in een rollende beweging, van station naar station, " zegt Liu. Om dit mogelijk te maken, de onderzoekers moeten voortdurend korte stukjes DNA toevoegen aan de vloeistof waarin de actie plaatsvindt. Deze fragmenten zijn ontworpen om overeen te komen met het DNA van de afzonderlijke rijen. Eerst verbreken ze een rij verbindingen die de voeten van de wandelaar verbinden met het DNA van het platform en blokkeren ze de voetsteunen van dat specifieke station. Aan de andere kant van de wandelaar, ze deblokkeren dan een aparte rij, waaraan de voeten van de cilinder nu kunnen worden bevestigd.

"Afhankelijk van wat er wordt toegevoegd, de rollator beweegt in de ene of de andere richting, " legt Liu uit. "We zijn geïnspireerd door natuurlijk voorkomende moleculaire motoren:de vloeistof beweegt de cilinder en zijn voeten heen en weer door middel van thermische beweging." Omdat de voeten altijd maar aan één kant verspringen, de rollator beweegt langzaam vooruit. Elke stap is zeven nanometer lang, die meer dan honderdduizend keer kleiner is dan de enkele stap van een bosmier.

Onderzoekers gebruiken plasmonresonantie om het pad van de nanocilinder te volgen

Om het pad van de kleine machine te volgen, de onderzoekers vertrouwden op een nano-optisch effect genaamd plasmonresonantie. Plasmonen zijn collectieve oscillaties van talrijke elektronen en zijn vaak aanwezig in metalen, onder andere materialen. "Licht kan interageren met de plasmonen in het goud, " legt Liu uit. "Licht wordt in ons geval gedeeltelijk geabsorbeerd in het proces, resulterend in wat bekend staat als plasmonresonantie." Door de lichtstraal te analyseren, de onderzoekers kunnen dit fenomeen meten.

Het bepalen van de exacte locatie van de cilinder, echter, vereist het plaatsen van een tweede, stationaire gouden nanocilinder aan de onderkant van het DNA-origamiplatform. In grote lijnen, deze tweede cilinder dient als referentiepunt. De reden hiervoor is dat samen, de twee cilinders zorgen voor een verandering in de circulaire polarisatie van de lichtbundel:Licht bestaat uit een oscillerend elektromagnetisch veld. De polarisatie is gelijk aan de richting waarin het veld oscilleert; in circulair gepolariseerd licht, het draait met de klok mee of tegen de klok in. Door de spectrale veranderingen te observeren die het gevolg zijn van de interactie met circulair gepolariseerd licht, de onderzoekers kunnen de huidige positie van de wandelaar bepalen.

"Door deze aanpak konden we elke stap traceren. Daarom is de rollator meer dan alleen een mobiel element - hij geeft ook informatie over zijn locatie, ", zegt Liu. Geavanceerde microscooptechnologie werd dus overbodig voor het observeren van de plasmonische wandelaar, die Liu beschouwt als een voorloper van een "nieuwe generatie nanomachines met aangepaste optische eigenschappen". Met deze tool wil de onderzoeker nu de interactie van licht en materie op nanoschaal verder bestuderen, evenals het mechanische gedrag van nanodeeltjes. Want als de gouden wandelaar inderdaad voorbestemd is om op een dag zijn doel te bereiken en verschillende taken uit te voeren, het moet nog behoorlijk wat stappen nemen - en niet alleen op DNA-origami.