Onderzoekers van de Northwestern University hebben een eerste-van-zijn-soort techniek ontwikkeld voor het creëren van geheel nieuwe klassen van optische materialen en apparaten die kunnen leiden tot lichtbuiging en verhullende apparaten - nieuws om de oren van Star Trek's Spock op te fleuren.

DNA gebruiken als een belangrijk hulpmiddel, het interdisciplinaire team nam gouden nanodeeltjes van verschillende groottes en vormen en rangschikte ze in twee en drie dimensies om optisch actieve superroosters te vormen. Structuren met specifieke configuraties kunnen worden geprogrammeerd door de keuze van het deeltjestype en zowel het DNA-patroon als de sequentie om bijna elke kleur over het zichtbare spectrum te vertonen, melden de wetenschappers.

"Architectuur is alles bij het ontwerpen van nieuwe materialen, en we hebben nu een nieuwe manier om deeltjesarchitecturen over grote gebieden nauwkeurig te controleren, " zei Chad A. Mirkin, de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. "Chemici en natuurkundigen zullen een bijna oneindig aantal nieuwe structuren kunnen bouwen met allerlei interessante eigenschappen. Deze structuren kunnen met geen enkele bekende techniek worden gemaakt."

De techniek combineert een oude fabricagemethode:top-down lithografie, dezelfde methode die werd gebruikt om computerchips te maken - met een nieuwe - programmeerbare zelfassemblage, aangedreven door DNA. Het Northwestern-team is de eerste die de twee combineert om individuele deeltjesbeheersing in drie dimensies te bereiken.

De studie werd online gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap vandaag (18 januari). Mirkin en Vinayak P. Dravid en Koray Aydin, beide professoren aan de Northwestern's McCormick School of Engineering, zijn co-corresponderende auteurs.

Wetenschappers zullen de krachtige en flexibele techniek kunnen gebruiken om metamaterialen te bouwen - materialen die niet in de natuur voorkomen - voor een reeks toepassingen, waaronder sensoren voor medisch en milieugebruik.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van numerieke simulaties en optische spectroscopietechnieken om bepaalde superroosters van nanodeeltjes te identificeren die specifieke golflengten van zichtbaar licht absorberen. De DNA-gemodificeerde nanodeeltjes - in dit geval goud - zijn gepositioneerd op een vooraf gevormd sjabloon gemaakt van complementair DNA. Stapels van structuren kunnen worden gemaakt door een tweede en vervolgens een derde DNA-gemodificeerd deeltje in te brengen met DNA dat complementair is aan de volgende lagen.

Behalve dat het ongebruikelijke architecturen zijn, deze materialen reageren op prikkels:de DNA-strengen die ze bij elkaar houden, veranderen in lengte wanneer ze worden blootgesteld aan nieuwe omgevingen, zoals oplossingen van ethanol die in concentratie variëren. De verandering in DNA-lengte, vonden de onderzoekers, resulteerde in een verandering van kleur van zwart naar rood naar groen, het verstrekken van extreme afstembaarheid van optische eigenschappen.

"Het afstemmen van de optische eigenschappen van metamaterialen is een grote uitdaging, en onze studie bereikt een van de hoogste afstembereiken die tot nu toe zijn bereikt in optische metamaterialen, " zei Aydin, assistent-professor elektrotechniek en informatica bij McCormick.

"Ons nieuwe metamateriaalplatform - mogelijk gemaakt door nauwkeurige en extreme controle van de vorm van gouden nanodeeltjes, grootte en afstand—betekent een belangrijke belofte voor optische metamaterialen en meta-oppervlakken van de volgende generatie, ' zei Aydin.

De studie beschrijft een nieuwe manier om nanodeeltjes in twee en drie dimensies te organiseren. De onderzoekers gebruikten lithografische methoden om kleine gaatjes te boren - slechts één nanodeeltje breed - in een polymeerresist, het creëren van "landingsplatforms" voor componenten van nanodeeltjes die zijn gemodificeerd met DNA-strengen. De landingsplaatsen zijn essentieel, Mirkin zei, omdat ze de structuren die worden gekweekt verticaal houden.

De nanoscopische landingsplatforms zijn gemodificeerd met één sequentie van DNA, en de gouden nanodeeltjes zijn gemodificeerd met complementair DNA. Door nanodeeltjes af te wisselen met complementair DNA, de onderzoekers bouwden nanodeeltjesstapels met een enorme positionele controle en over een groot gebied. De deeltjes kunnen verschillende afmetingen en vormen hebben (bollen, kubussen en schijven, bijvoorbeeld).

"Deze benadering kan worden gebruikt om periodieke roosters te bouwen van optisch actieve deeltjes, zoals goud, zilver en elk ander materiaal dat kan worden gemodificeerd met DNA, met buitengewone precisie op nanoschaal, " zei Mirkin, directeur van het Northwestern's International Institute for Nanotechnology.

Mirkin is ook hoogleraar geneeskunde aan de Northwestern University Feinberg School of Medicine en hoogleraar chemische en biologische engineering, biomedische technologie en materiaalkunde en techniek in de McCormick School.

Het succes van de gerapporteerde DNA-programmeerbare assemblage vereiste expertise met hybride (zacht-hard) materialen en voortreffelijke nanopatronen en lithografische mogelijkheden om de vereiste ruimtelijke resolutie te bereiken, definitie en getrouwheid over grote substraatgebieden. Het projectteam wendde zich tot Dravid, een oude medewerker van Mirkin's die gespecialiseerd is in nanopatronen, geavanceerde microscopie en karakterisering van zachte, harde en hybride nanostructuren.

Dravid bracht zijn expertise in en hielp bij het ontwerpen van de strategie voor nanopatronen en lithografie en de bijbehorende karakterisering van de nieuwe exotische structuren. Hij is de Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering in McCormick en de oprichter en directeur van het NUANCE-centrum, die de geavanceerde patronen herbergt, lithografie en karakterisering gebruikt in de DNA-geprogrammeerde structuren.