Met behulp van gebundelde DNA-strengen om Tinkertoy-achtige tetraëdrische kooien te bouwen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een manier bedacht om nanodeeltjes te vangen en te rangschikken op een manier die de kristallijne structuur van diamant nabootst. Het bereiken van dit complexe maar elegante arrangement, zoals beschreven in een paper gepubliceerd op 5 februari, 2016, in Wetenschap , kan een pad openen naar nieuwe materialen die profiteren van de optische en mechanische eigenschappen van deze kristallijne structuur voor toepassingen zoals optische transistors, kleur veranderende materialen, en lichtgewicht maar stevige materialen.

"We hebben een 25-jarige uitdaging opgelost in het bouwen van diamantroosters op een rationele manier via zelfassemblage, " zei Oleg Gang, een natuurkundige die dit onderzoek leidde bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) in Brookhaven Lab in samenwerking met wetenschappers van Stony Brook University, Wesleyan-universiteit, en Nagoya Universiteit in Japan.

De wetenschappers gebruikten een door Gang ontwikkelde techniek die gefabriceerd DNA als bouwmateriaal gebruikt om nanodeeltjes in 3D-ruimtelijke arrangementen te organiseren. Ze gebruikten touwachtige bundels dubbel-helix-DNA om stijve, driedimensionale frames, en bungelende stukjes enkelstrengs DNA toegevoegd om deeltjes te binden die zijn gecoat met complementaire DNA-strengen.

"We gebruiken nauwkeurig gevormde DNA-constructies gemaakt als een scaffold en enkelstrengs DNA-tethers als een programmeerbare lijm die deeltjes matcht volgens het koppelingsmechanisme van de genetische code - A bindt aan T, G bindt met C, " zei Wenyan Liu van de CFN, de hoofdauteur van het papier. "Deze moleculaire constructies zijn bouwstenen voor het maken van kristallijne roosters gemaakt van nanodeeltjes."

De moeilijkheid van diamant

Zoals Liu uitlegde, "Het bouwen van diamanten superroosters van deeltjes op nano- en microschaal door middel van zelfassemblage is opmerkelijk moeilijk gebleken. Het daagt ons uit om materie op kleine schaal te manipuleren."

De redenen voor deze moeilijkheid zijn onder meer structurele kenmerken zoals een lage pakkingsfractie, wat betekent dat in een diamantrooster, in tegenstelling tot veel andere kristallijne structuren, deeltjes nemen slechts een klein deel van het roostervolume in beslag en zijn sterk gevoelig voor de manier waarop bindingen tussen deeltjes zijn georiënteerd. "Alles moet op zo'n manier in elkaar passen zonder enige verschuiving of rotatie van de posities van de deeltjes, ' zei Gang. 'Omdat de diamantstructuur erg open is, er kan veel mis gaan, leidt tot wanorde."

"Zelfs zulke constructies één voor één bouwen zou een uitdaging zijn, "Liu voegde eraan toe, "en we moesten dit doen door zelfassemblage omdat er geen manier is om miljarden nanodeeltjes één voor één te manipuleren."

Het eerdere succes van Gang met het gebruik van DNA om een ​​breed scala aan nanodeeltjes-arrays te construeren, suggereerde dat een op DNA gebaseerde benadering in dit geval zou kunnen werken.

DNA gidsen montage

Het team gebruikte eerst de touwachtige DNA-bundels om tetraëdrische "kooien" te bouwen - een 3D-object met vier driehoekige vlakken. Ze voegden enkelstrengs DNA-tethers toe die naar de binnenkant van de kooien wezen met behulp van T, G, C, Een reeks die overeenkwam met complementaire kettingen die aan gouden nanodeeltjes waren bevestigd. Wanneer gemengd in oplossing, de complementaire kettingen zijn gekoppeld om één gouden nanodeeltje in elke tetraëderkooi te "vangen".

De rangschikking van gouden nanodeeltjes buiten de kooien werd geleid door een andere set DNA-kettingen die aan de hoekpunten van de tetraëders waren bevestigd. Elke set hoekpunten gebonden met complementaire DNA-tethers bevestigd aan een tweede set gouden nanodeeltjes.

Wanneer gemengd en gegloeid, de tetraëdrische arrays vormden superroosters met een lange-afstandsvolgorde waarbij de posities van de gouden nanodeeltjes de rangschikking van koolstofatomen in een rooster van diamant nabootsen, maar op een schaal die ongeveer 100 keer groter is.

"Hoewel dit assemblagescenario hopeloos ongedwongen lijkt, laten we experimenteel zien dat onze aanpak leidt tot het gewenste diamantrooster, het drastisch stroomlijnen van de montage van een dergelijke complexe structuur, ' zei Bende.

Het bewijs zit in de afbeeldingen. De wetenschappers gebruikten cryogene transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-TEM) om de vorming van tetraëdrische frames te verifiëren door hun 3D-vorm uit meerdere afbeeldingen te reconstrueren. Daarna gebruikten ze in-situ kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) bij de National Synchrotron Light Source (NSLS), en cryo scanning transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-STEM) bij de CFN, om de arrays van nanodeeltjes in het volledig geconstrueerde rooster in beeld te brengen.

"Onze benadering is gebaseerd op de zelforganisatie van de driehoekig gevormde stompe hoekpunten van de tetraëders (zogenaamde 'voetafdrukken') op isotrope bolvormige deeltjes. Die driehoekige voetafdrukken binden zich aan bolvormige deeltjes bedekt met complementair DNA, waardoor de deeltjes hun rangschikking in de ruimte ten opzichte van elkaar kunnen coördineren. Echter, de voetafdrukken kunnen zichzelf in verschillende patronen op een bol rangschikken. Het blijkt dat een bepaalde plaatsing gunstiger is, en het komt overeen met de unieke 3D-plaatsing van deeltjes die het diamantrooster vergrendelt, ' zei Bende.

Het team ondersteunde hun interpretatie van de experimentele resultaten met behulp van theoretische modellering die inzicht verschafte in de belangrijkste factoren die de succesvolle vorming van diamantroosters aansturen.

Sprankelende implicaties

"Dit werk brengt op nanoschaal de kristallografische complexiteit die wordt gezien in atomaire systemen, " zei Bende, die opmerkte dat de methode gemakkelijk kan worden uitgebreid om deeltjes van verschillende materiaalsamenstellingen te organiseren. De groep heeft eerder aangetoond dat DNA-assemblagemethoden kunnen worden toegepast op optische, magnetisch, en ook katalytische nanodeeltjes, en zal waarschijnlijk de lang gezochte nieuwe optische en mechanische materialen opleveren die wetenschappers voor ogen hadden.

"We hebben een nieuw paradigma gedemonstreerd voor het maken van complexe 3D-geordende structuren via zelfassemblage. Als je dit uitdagende rooster kunt bouwen, de gedachte is dat je potentieel een verscheidenheid aan gewenste roosters kunt bouwen, " hij zei.