Van de oude piramides tot moderne gebouwen, verschillende driedimensionale (3-D) structuren zijn gevormd door gevormde objecten samen te pakken. Op macroschaal, de vorm van objecten ligt vast en bepaalt dus hoe ze kunnen worden gerangschikt. Bijvoorbeeld, bakstenen bevestigd door mortel behouden hun langwerpige rechthoekige vorm. Maar op nanoschaal de vorm van objecten kan tot op zekere hoogte worden gewijzigd wanneer ze zijn bedekt met organische moleculen, zoals polymeren, oppervlakteactieve stoffen (oppervlakteactieve stoffen), en DNA. Deze moleculen creëren in wezen een "zachte" schil rond de anders "harde, " of stijf, nano-objecten. Wanneer de nano-objecten samenpakken, hun oorspronkelijke vorm is mogelijk niet volledig bewaard gebleven omdat de schaal flexibel is - een soort beeldhouwen op nanoschaal.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory en Columbia Engineering van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft aangetoond dat kubusvormige nanodeeltjes, of nanokubussen, gecoat met enkelstrengs DNA-ketens, assembleren tot een ongebruikelijke "zigzag" -rangschikking die nog nooit eerder op nanoschaal of macroschaal is waargenomen. Hun ontdekking wordt gerapporteerd in het online nummer van 17 mei van wetenschappelijke vooruitgang .

"Objecten op nanoschaal hebben bijna altijd een soort schaal omdat we er tijdens de synthese opzettelijk polymeren aan hechten om aggregatie te voorkomen, " verklaarde co-auteur Oleg Gang, leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een DOE Office of Science User Facility bij Brookhaven Lab - en hoogleraar chemische technologie en toegepaste fysica en materiaalwetenschappen aan de Columbia University. "In dit onderzoek, hebben we onderzocht hoe het veranderen van de zachtheid en dikte van DNA-schillen (d.w.z. de lengte van de DNA-ketens) beïnvloedt de verpakking van gouden nanokubussen."

Gang en de andere teamleden - Fang Lu en Kevin Yager van CFN; Yugang Zhang van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven; en Sanat Kumar, Thi Vo, en Alex Frenkel van Columbia's Department of Chemical Engineering - ontdekte dat nanokubussen omgeven door dunne DNA-schillen op dezelfde manier inpakken als verwacht op macroschaal, met de kubussen gerangschikt in nette lagen die direct boven elkaar zijn georiënteerd. Maar deze eenvoudige kubische opstelling maakt plaats voor een zeer ongebruikelijk type pakking wanneer de dikte van de schalen wordt vergroot (d.w.z. wanneer de schaal "zachter" wordt).

"Elke nanokubus heeft zes vlakken waar hij verbinding kan maken met andere kubussen, ", legt Gang uit. "Kubussen die complementair DNA hebben, worden tot elkaar aangetrokken, maar kubussen met hetzelfde DNA stoten elkaar af. Wanneer de DNA-schaal voldoende zacht (dik) wordt, de kubussen rangschikken in wat lijkt op een zigzagpatroon, die aantrekkingskracht maximaliseert en afstoting minimaliseert, terwijl het zo strak mogelijk verpakt blijft.

"Dit soort verpakking is nog nooit eerder gezien, en het breekt de oriënterende symmetrie van kubussen ten opzichte van de vectoren (richtingen van de x, ja, en z-assen in het kristal) van de eenheidscel, " zei eerste auteur Fang Lu, een wetenschapper in de groep van Gang. "In tegenstelling tot alle eerder waargenomen verpakkingen van kubussen, de hoek tussen kubussen en deze drie assen is niet hetzelfde:twee hoeken zijn verschillend van de andere."

Een eenheidscel is het kleinste herhalende deel van een kristalrooster, dat is een reeks punten in de 3D-ruimte waar de nanodeeltjes zijn gepositioneerd. Gevormde nanodeeltjes kunnen verschillend georiënteerd zijn ten opzichte van elkaar binnen de eenheidscel, zoals de door hun gezichten, randen, of hoeken. De zigzagverpakking die de wetenschappers in dit onderzoek hebben waargenomen, is een soort compromis op nanoschaal waarin geen van beide relatieve oriëntatie 'wint'. In plaats daarvan, de kubussen vinden de beste opstelling om naast elkaar te bestaan ​​in een geordend rooster op basis van of ze hetzelfde of complementaire DNA hebben (d.w.z. elkaar dienovereenkomstig afstoten of aantrekken).

In dit geval, twee verschillende roostertypes kunnen voorkomen:body-centered cubic (BCC) en body-centered tetragonal (BCT). Zowel BCC als BCT hebben vergelijkbare plaatsingen van deeltjes in het midden en de hoeken van de kubussen, maar BCC heeft eenheidscelzijden van gelijke lengte, terwijl BCT dat niet heeft.

Om de vorm van de kubussen en hun verpakkingsgedrag te visualiseren, de wetenschappers gebruikten een combinatie van elektronenmicroscopie bij de CFN en kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) bij de voormalige X9-bundellijn van NSLS en de Complex Materials Scattering-bundellijn van NSLS-II. De elektronenmicroscopiestudies vereisen dat de materialen uit de oplossing worden gehaald, maar SAXS kan ter plaatse worden uitgevoerd om meer gedetailleerde en precieze structurele informatie te verschaffen. In dit onderzoek, de verstrooiingsgegevens waren nuttig bij het onthullen van de symmetrieën, afstanden tussen deeltjes, en oriëntaties van deeltjes in de 3D nanokubusstructuren. Theoretische berekeningen uitgevoerd door de Kumar Group in Columbia bevestigden dat de zigzag-opstelling mogelijk is en gerationaliseerd waarom dit soort pakking plaatsvond op basis van de eigenschappen van de DNA-schillen.

Het team wil nu graag bepalen of nano-objecten met een zachte schaal die geen kubussen zijn of meer dan één vorm hebben, ook op onverwachte manieren samenpakken.

"Begrip van het samenspel tussen gevormde nano-objecten en zachte schelpen zal ons in staat stellen om de organisatie van objecten in bepaalde structuren te richten met de gewenste optische, mechanisch, en andere eigendommen, ' zei Kumar.