DNA is zeker de basis van het leven. Binnenkort is het misschien ook de basis van uw elektronische apparaten.

Een team van de Northwestern University heeft een nieuwe reeks ontwerpprincipes ontwikkeld voor het maken van fotonische kristallen die lijken op de kristallen die doorgaans worden gebruikt in computers, televisie- en smartphoneschermen. Door synthetisch DNA te gebruiken om deeltjes te assembleren tot kristallijne roosters, de onderzoekers hebben de deur geopend voor veel lichtere en dunnere schermen in vergelijking met wat momenteel beschikbaar is.

"De meeste mensen kijken elke dag naar een laptopscherm, maar weinig mensen begrijpen waar ze van gemaakt zijn en waarom, " zei George Schatz, Charles E. en Emma H. ​​Morrison, hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. "Een onderdeel van het scherm is de achterreflector, een spiegelachtig apparaat dat het door het LCD-scherm uitgestraalde licht naar de kijker stuurt. Deze reflectoren zijn gemaakt van gelaagde polymeren die veel dikker en zwaarder zijn dan onze kristallen."

De benadering van Northwestern vervangt deze polymeren niet alleen door gouden nanokristallen, maar plaatst ze ook uit elkaar om er lucht tussen te laten. Het resultaat is een lichtere, compacter, nauwkeurig ontworpen en herconfigureerbare structuur die nog steeds sterk reflecterend is.

Het onderzoek is gisteren online gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Schatz en Tsjaad Mirkin, de directeur van Northwestern's International Institute for Nanotechnology en de George B. Rathmann Professor of Chemistry, diende als co-corresponderende auteurs van het papier.

Hoewel DNA bijna altijd wordt geassocieerd met levende organismen - van eenvoudige bacteriën tot complexe mensen - is het DNA dat in het onderzoek wordt gebruikt, chemisch gesynthetiseerd en gemanipuleerd in plaats van afgeleid van levende cellen. 1996, Mirkin vond manieren uit om synthetisch DNA te koppelen aan gouden nanodeeltjes om nieuwe materialen te produceren die niet in de natuur voorkomen - om in wezen de "blauwdruk van het leven" te gebruiken om hun vorming te programmeren. Deze structuren zijn de basis geworden voor meer dan 1, 800 wereldwijd gebruikte producten, voornamelijk in de levenswetenschappen.

Vervolgens, in 2008, Mirkin en Schatz werkten samen om kristallen te maken van deeltjes die door DNA zijn verbonden. Door strengen synthetisch DNA aan kleine gouden bolletjes te bevestigen, het duo ontdekte dat ze driedimensionale kristallijne structuren konden bouwen. De volgorde van Gs van de DNA-streng veranderen, Als, Ts en Cs veranderen de vorm van de kristallijne structuur, waardoor de onderzoekers de deeltjes anders in de ruimte konden rangschikken. Meer dan 500 kristalsoorten, met behulp van deze benadering zijn meer dan 30 verschillende kristalsymmetrieën gemaakt, waardoor het een krachtige en fundamenteel nieuwe manier is om de vorming van kristallijne materie te programmeren.

Ondanks dat er sinds 2008 geavanceerde vorderingen zijn gemaakt met dit werk, Mirkin en Schatz realiseerden zich aanvankelijk niet dat de kristalroosters die ze in het laboratorium maakten, optische eigenschappen hadden die vergelijkbaar waren met de polymeerlagen die te vinden zijn in beeldschermen van apparaten.

"Door computermodellering, we realiseerden ons per ongeluk dat de kristallijne materialen met gouden nanodeeltjes eigenschappen hadden die we eerder in het werk misten, "Zei Schatz. "Vervolgens hebben we de optische eigenschappen geoptimaliseerd met behulp van berekeningen, en deze toonden aan dat de niet-aanrakende metalen bollen, in sommige gevallen, beter zijn dan de aanrakende polymeerbollen."

Na het maken van de kristallen in het laboratorium, De teams van Mirkin en Schatz hebben de optische eigenschappen van de kristallen gemeten om te ontdekken dat hun computationele modellering inderdaad correct was. Hoewel ze alleen de reflecterende aard van het kristalrooster hebben getest in het huidige PNAS-papier, de methode zou kunnen leiden tot vele soorten functionele "designer"-materialen met behulp van DNA-gestuurde zelfassemblage.

"De algemeenheid van de aanpak en de ontwerpregels zijn vrij buitengewoon en onafhankelijk van de samenstelling van de deeltjes, "Zei Mirkin. "Dit brengt wat we aanvankelijk in de jaren negentig bedachten naar geheel nieuwe hoogten."