Het is geen elektron. Maar het gedraagt ​​​​zich zeker als een.

Onderzoekers van de Northwestern University hebben een vreemde en verrassende ontdekking gedaan dat nanodeeltjes die zijn gemaakt met DNA in colloïdale kristallen - als ze extreem klein zijn - zich net als elektronen gedragen. Deze bevinding heeft niet alleen de huidige op zijn kop gezet, geaccepteerd begrip van materie, het opent ook de deur naar nieuwe mogelijkheden in materiaalontwerp.

"Zoiets hebben we nog nooit gezien, " zei Monica Olvera de la Cruz van Northwestern, die de eerste waarneming deed door middel van computationeel werk. "In onze simulaties de deeltjes zien eruit als elektronen in een baan om de aarde."

Met deze ontdekking, introduceerden de onderzoekers een nieuwe term genaamd "metalliciteit, " wat verwijst naar de mobiliteit van elektronen in een metaal. In colloïdale kristallen, kleine nanodeeltjes zwerven op dezelfde manier als elektronen en fungeren als een lijm die het materiaal bij elkaar houdt.

"Dit zorgt ervoor dat mensen op een nieuwe manier over materie gaan nadenken, " zei Chad Mirkin van Northwestern, die het experimentele werk leidde. "Het zal leiden tot allerlei soorten materialen met potentieel spectaculaire eigenschappen die nog nooit eerder zijn waargenomen. Eigenschappen die kunnen leiden tot een verscheidenheid aan nieuwe technologieën op het gebied van optica, elektronica en zelfs katalyse."

De krant verschijnt vrijdag, 21 juni in het journaal Wetenschap .

Olvera de la Cruz is de advocaat Taylor Professor of Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern.

De groep van Mirkin vond eerder de chemie uit om colloïdale kristallen te maken met DNA, die nieuwe mogelijkheden voor materiaalontwerp heeft gesmeed. In deze structuren DNA-strengen fungeren als een soort slimme lijm om nanodeeltjes in een roosterpatroon aan elkaar te koppelen.

"In de laatste twee decennia, we hebben ontdekt hoe we allerlei kristallijne structuren kunnen maken waar het DNA de deeltjes effectief neemt en ze precies plaatst waar ze horen te gaan in een rooster, " zei Mirkin, stichtend directeur van het International Institute of Nanotechnology.

In deze eerdere onderzoeken de diameters van de deeltjes liggen op de lengteschaal van tientallen nanometers. Deeltjes in deze structuren zijn statisch, gefixeerd door DNA. In de huidige studie, echter, Mirkin en Olvera de la Cruz verkleinden de deeltjes tot 1,4 nanometer in diameter in computersimulaties. Dit is waar de magie gebeurde.

"De grotere deeltjes hebben honderden DNA-strengen die ze met elkaar verbinden, "zei Olvera de la Cruz. "De kleintjes hebben maar vier tot acht linkers. Wanneer die links breken, de deeltjes rollen en migreren door het rooster dat het kristal van grotere deeltjes bij elkaar houdt."

Toen het team van Mirkin de experimenten uitvoerde om de kleine deeltjes in beeld te brengen, ze ontdekten dat de computationele observaties van Olvera de la Cruz's team waar bleken te zijn. Omdat dit gedrag doet denken aan hoe elektronen zich in metalen gedragen, de onderzoekers noemen het 'metalliciteit'.

"Een zee van elektronen migreert door metalen, werkt als een lijm, alles bij elkaar houden, " legde Mirkin uit. "Dat is wat deze nanodeeltjes worden. De kleine deeltjes worden de mobiele lijm die alles bij elkaar houdt."

Olvera de la Cruz en Mirkin plannen vervolgens om te onderzoeken hoe ze deze elektronachtige deeltjes kunnen exploiteren om nieuwe materialen met nuttige eigenschappen te ontwerpen. Hoewel hun onderzoek gouden nanodeeltjes gebruikte, Olvera de la Cruz zei dat "metalliciteit" van toepassing is op andere klassen deeltjes in colloïdale kristallen.

"In de wetenschap, het is echt zeldzaam om een ​​nieuw pand te ontdekken, maar dat is wat hier gebeurde, "Zei Mirkin. "Het daagt de hele manier uit waarop we denken over het bouwen van materie. Het is een fundamenteel stuk werk dat een blijvende impact zal hebben."