Diatomeeën zijn klein, eencellige wezens, oceanen bewonen, meren, rivieren, en bodems. Door hun ademhaling, ze produceren bijna een kwart van de zuurstof op aarde, bijna net zoveel als de tropische wouden van de wereld. Naast hun ecologische succes over de hele planeet, ze hebben een aantal opmerkelijke eigenschappen. Diatomeeën leven in glasachtige huizen van hun eigen ontwerp, zichtbaar onder vergroting in een verbluffend en esthetisch mooi scala aan vormen.

Onderzoekers hebben inspiratie gevonden in deze microscopische, juweelachtige producten van de natuur sinds hun ontdekking in de late 18e eeuw. In een nieuwe studie, Wetenschappers van de Arizona State University (ASU) onder leiding van professor Hao Yan, in samenwerking met onderzoekers van het Shanghai Institute of Applied Physics van de Chinese Academy of Sciences en Shanghai Jiaotong University onder leiding van Prof. Chunhai Fan, hebben een reeks diatomeeënachtige nanostructuren ontworpen.

Om dit te behalen, ze lenen technieken die door natuurlijk voorkomende diatomeeën worden gebruikt om lagen silica af te zetten - het belangrijkste bestanddeel in glas - om hun ingewikkelde schelpen te laten groeien. Met behulp van een techniek die bekend staat als DNA-origami, de groep ontwierp platforms op nanoschaal met verschillende vormen waarop deeltjes silica, getrokken door elektrische lading, zou kunnen plakken.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat silica-afzetting effectief kan worden toegepast op synthetische, op DNA gebaseerde architecturen, verbetering van hun elasticiteit en duurzaamheid. Het werk zou uiteindelijk verregaande toepassingen kunnen hebben in nieuwe optische systemen, halfgeleider nanolithografie, nano-elektronica, nano-robotica en medische toepassingen, inclusief medicijnafgifte.

Yan is de Milton D. Glick Distinguished Professor of Chemistry and Biochemistry en leidt het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. De bevindingen van de groep worden gerapporteerd in de geavanceerde online van het tijdschrift Natuur .

Onderzoekers zoals Yan en Fan creëren geavanceerde nano-architecturen in 2- en 3-dimensies, DNA als bouwmateriaal gebruiken. De methode, bekend als DNA-origami, vertrouwt op de basenparende eigenschappen van de vier nucleotiden van DNA, waarvan de namen worden afgekort als A, T, C en G.

De ladderachtige structuur van de dubbele DNA-helix wordt gevormd wanneer complementaire strengen van nucleotiden met elkaar binden - de C-nucleotiden die altijd paren met Gs en de As die altijd paren met Ts. Dit voorspelbare gedrag kan worden benut om een ​​vrijwel onbeperkte verscheidenheid aan gemanipuleerde vormen te produceren, die vooraf kunnen worden ontworpen. De nanostructuren assembleren zichzelf vervolgens in een reageerbuis.

In de nieuwe studie onderzoekers wilden zien of architecturen ontworpen met DNA, elk met een diameter van slechts een miljardsten van een meter, kunnen worden gebruikt als structurele raamwerken waarop diatomeeënachtige exoskeletten bestaande uit silica op een precieze en controleerbare manier kunnen groeien. Hun succesvolle resultaten tonen de kracht van dit hybride huwelijk tussen natuur en nano-engineering, die de auteurs DNA Origami Silicification (DOS) noemen.

"Hier, we hebben aangetoond dat de juiste chemie kan worden ontwikkeld om hybride DNA-silicamaterialen te produceren die de complexe geometrische informatie van een breed scala aan verschillende DNA-origami-steigers getrouw repliceren. Onze bevindingen hebben een algemene methode vastgesteld voor het maken van biomimetische nanostructuren van silica, " zei Jan.

Onder de geometrische DNA-raamwerken die in de experimenten zijn ontworpen en geconstrueerd, waren 2D-kruisen, vierkanten, driehoeken en DOS-diatomeeën honingraatvormen evenals 3D-kubussen, tetraëders, hemisferen, ringkern en ellipsoïde vormen, voorkomen als afzonderlijke eenheden of roosters.

Toen de DNA-raamwerken eenmaal voltooid waren, clusters van silicadeeltjes met een positieve lading werden elektrostatisch naar de oppervlakken van de elektrisch negatieve DNA-vormen getrokken, aangroei over een periode van meerdere dagen, als fijne verf aangebracht op een eierschaal. Van de resulterende DOS-vormen werd een reeks transmissie- en scanning-elektronenmicrofoto's gemaakt, onthullende nauwkeurige en efficiënte diatomeeënachtige verkiezeling.

De methode bleek effectief voor verkiezeling van frameachtige, gebogen en poreuze nanostructuren variërend in grootte van 10-1000 nanometer, (de grootste structuren zijn ongeveer zo groot als bacteriën). Nauwkeurige controle over de dikte van de silicaschil wordt bereikt door eenvoudigweg de groeiduur te regelen.

De hybride DOS-diatomeeënnanostructuren werden aanvankelijk gekarakteriseerd met behulp van een paar krachtige hulpmiddelen die hun kleine vormen konden onthullen, Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en atoomkrachtmicroscopie (AFM). De resulterende afbeeldingen onthullen veel duidelijkere contouren voor de nanostructuren na de afzetting van silica.

De methode van nanofabricage is zo nauwkeurig, onderzoekers konden driehoeken maken, vierkanten en zeshoeken met uniforme poriën met een diameter van minder dan 10 nm - verreweg de kleinste die tot nu toe is bereikt, met behulp van DNA-origami-lithografie. Verder, de techniek die in de nieuwe studie wordt beschreven, geeft onderzoekers een nauwkeurigere controle over de constructie van 3D-nanostructuren in willekeurige vormen die vaak een uitdaging zijn om met bestaande methoden te produceren.

Een eigenschap van natuurlijke diatomeeën die van groot belang is voor nano-ingenieurs zoals Yan en Fan, is de specifieke sterkte van hun silica-omhulsels. Specifieke sterkte verwijst naar de weerstand van een materiaal tegen breuk in verhouding tot de dichtheid. Wetenschappers hebben ontdekt dat de silica-architecturen van diatomeeën niet alleen inspirerend elegant zijn, maar ook uitzonderlijk sterk. Inderdaad, de silica-exoskeletten die diatomeeën omhullen, hebben de hoogste specifieke sterkte van alle biologisch geproduceerde materialen, inclusief bot, gewei, en tanden.

In de huidige studie, onderzoekers gebruikten AFM om de weerstand tegen breuk van hun met silica versterkte DNA-nanostructuren te meten. Net als hun natuurlijke tegenhangers, deze vormen toonden veel meer kracht en veerkracht, met een 10-voudige toename van de krachten die ze konden weerstaan, compared with the unsilicated designs, while nevertheless retaining considerable flexibility.

The study also shows that the enhanced rigidity of DOS nanostructures increases with their growth time. Zoals de auteurs opmerken, these results are in agreement with the characteristic mechanical properties of biominerals produced by nature, coupling impressive durability with flexibility.

A final experiment involved the design of a new 3-D tetrahedral nanostructure using gold nanorods as supportive struts for a DOS fabricated device. This novel structure was able to faithfully retain its shape compared with a similar structure lacking silication that deformed and collapsed.

The research opens a pathway for nature-inspired innovations in nanotechnology in which DNA architectures act as templates that may be coated with silica or perhaps other inorganic materials, including calcium phosphate, calciumcarbonaat, ferric oxide or other metal oxides, yielding unique properties.

"We are interested in developing methods to create higher order hybrid nanostructures. For example, multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.

Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.