Het meest complexe kristal dat is ontworpen en gebouwd uit nanodeeltjes is gerapporteerd door onderzoekers van de Northwestern University en bevestigd door onderzoekers van de University of Michigan. Het werk toont aan dat sommige van de meest gecompliceerde structuren van de natuur opzettelijk kunnen worden geassembleerd als onderzoekers de vormen van de deeltjes en de manier waarop ze met elkaar verbonden zijn, kunnen controleren.

"Dit is een demonstratie van krachttoerisme van wat er mogelijk is als je de informatie-inhoud en chemie van DNA gebruikt en combineert met nanodeeltjes die één maat en één vorm hebben, ' zei Chad A. Mirkin van Northwestern.

Mirkin is directeur van de onderzoeksgroep die dergelijke materialen ontdekte en een pionier van het concept van programmeerbare colloïdale kristallisatie met nucleïnezuren. Hij is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences.

Nanotechnologie belooft materialen op nieuwe manieren samen te brengen, het smeden van nieuwe mogelijkheden door ontwerp. 1996, Mirkin introduceerde het concept van het gebruik van nanodeeltjes als atomen en synthetisch DNA - de blauwdruk van het leven - als een chemisch programmeerbare binding om designermaterialen te maken op basis van het vermogen van de deeltjes om elkaar te herkennen door middel van sequenties die op hun oppervlak zijn geïmmobiliseerd.

Een mogelijke toepassing voor kristallen gemaakt van nanodeeltjes, zoals deze nieuw gerapporteerde, is de controle van licht - nanodeeltjes werken goed samen met lichtgolven omdat ze qua grootte vergelijkbaar zijn. Dit kan leiden tot materialen die op commando kleuren of patronen kunnen veranderen of bepaalde golflengten van licht kunnen blokkeren, terwijl ze anderen uitzenden of versterken. Nieuwe soorten lenzen, lasers en zelfs Star Trek-achtige verhulmaterialen zijn mogelijk.

"We kunnen deze complexe bouwstenen bouwen waarmee onderzoekers materialen kunnen maken die je op natuurlijke wijze niet uit atomen en moleculen kunt krijgen, " zei Sharon Glotzer, de Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering aan de U-M. Ze leidde het UM-gedeelte van de studie.

De studie, getiteld "Clathraat Colloïdale Kristallen, " verschijnt 3 maart in het tijdschrift Wetenschap . Mirkin en Glotzer zijn co-corresponderende auteurs van het artikel.

In de chemie, clathraten staan ​​bekend om hun kamers die kleine moleculen kunnen bevatten. Ze zijn gebruikt voor het opvangen van verontreinigende stoffen uit het milieu, bijvoorbeeld. De nanodeeltjesclusters laten ook ruimte voor vracht, waarvan Mirkin suggereert dat het handig kan zijn voor het bewaren, leveren en waarnemen van materialen voor milieu-, medische diagnostische en therapeutische toepassingen.

Terwijl natuurlijke materialen een duizelingwekkende reeks kristalstructuren vertonen, de meeste laboratoria voor nanotechnologie hebben moeite om voorbij kubieke ontwerpen te komen. De structuren geproduceerd door Haixin Lin, nu een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Mirkin, zijn veel superieur.

De nieuwe structuren vormden zich in clusters van maximaal 42 deeltjes, schetsen van complexe veelvlakken zoals de grote dodecaëder. Deze clusters zijn vervolgens verbonden tot kooiachtige kristalstructuren die clathraten worden genoemd.

Nog altijd, het verhaal is niet het kristal zelf:het is hoe het kristal werd gemaakt en gekarakteriseerd. De groep van Mirkin heeft veel structuren ontwikkeld door het gebruik van DNA-strengen als een soort slimme lijm, nanodeeltjes op een bepaalde manier aan elkaar koppelen. Het deeltje is zowel een bouwsteen als een sjabloon dat de bindingsinteracties stuurt. In de tussentijd, De groep van Glotzer heeft de rol van nanodeeltjesvorm verdedigd bij het begeleiden van de assemblage van kristalstructuren door middel van computermodellering.

"De groep van Chad kwam op het idee om nieuwe fasen te verkennen door te kijken naar voorspellingen die we hadden gedaan, " zei Glotzer, de John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering. "Op een dag, Ik kreeg een telefoontje van Tsjaad. 'We hebben zojuist deze ongelooflijke structuren!' hij zei. En hij sms'te me microfoto na microfoto - ze bleven maar opduiken. Hij zei dat we een manier moeten vinden om hun structuren definitief toe te wijzen."

Op de elektronenmicroscoopbeelden waren clathraten te zien die voor een groot deel werden gevormd door de vorm van de gouden nanodeeltjes. De bipiramidale vorm, als twee afgeplatte piramides die aan hun basis aan elkaar zijn geplakt, was van nature geneigd om te assembleren tot clathraatstructuren. Maar om dat te doen, ze hadden strengen DNA nodig die op precies de juiste lengte aan hun zijkanten waren bevestigd. Wanneer te kort, de DNA-strengen ontregeld, slecht gedefinieerde structuren, terwijl langere sequenties de clathrates konden vormen.

Lin maakte systematisch de gouden bipyramiden met randlengtes van 250 nanometer - de helft van de golflengte van blauw licht. Vervolgens wijzigde hij ze met DNA-sequenties van verschillende lengte om het meest geoptimaliseerde construct te bepalen voor het vormen van de waargenomen kristallijne structuren.

Toen hij de exotische patronen in de elektronenmicroscoopbeelden zag, hij bracht ze naar Mirkin, die zowel opgewonden als geïntrigeerd was.

"Deze zijn verbluffend - niemand had eerder zulke constructies gemaakt, " zei Mirkin, directeur van Northwestern's International Institute for Nanotechnology (IIN).

Het was duidelijk dat ze fasen hadden gemaakt die nog nooit eerder waren waargenomen, maar het was essentieel om de structuur nauwkeurig toe te wijzen.

Nadat Mirkin Glotzer had gewaarschuwd, Sangmin Lee, een doctoraatsstudent in de chemische technologie, en Michael Engel, een postdoctoraal onderzoeker, zowel bij U-M, 3D-geprinte bipyramiden en ze geassembleerd om te onderzoeken hoe ze de vormen in de elektronenmicrofoto's zouden kunnen maken. Vervolgens, zij en hun collega's bouwden een computermodel om te bevestigen dat de DNA-gekoppelde nanodeeltjes inderdaad clathraatstructuren zouden vormen.

"Om het echt zeker te weten, we moesten een simulatie maken waarin je de vormen hebt, je voert de DNA-interactie in en bouwt het ding en kijkt of het stabiel is in de computer, "Zei Glotzer. "We hebben de deeltjes ook gewoon in een doos gegooid om te zien of ze zichzelf in elkaar zetten onder dezelfde soort omstandigheden die ze in het laboratorium gebruikten."