Zelfassemblage is de spontane organisatie van bouwstenen in structuren of patronen vanuit een wanordelijke toestand. Alledaagse voorbeelden zijn het invriezen van vloeistoffen of het kristalliseren van zouten. Deze zelfassemblageprocessen komen ook voor in veel biologische systemen, zoals het vouwen van eiwitten of de vorming van DNA-helixen, en er is een toenemende interesse in het bestuderen van deze zelfassemblageprocessen. Onderzoeker Patrick Hage creëerde een nieuwe klasse van zelfassemblerende microdeeltjes die reageren op temperatuur en licht, wat nauwkeurige controle mogelijk maakt over hun assemblage tot structuren.

Colloïdale deeltjes, die in grootte variëren van enkele nanometers tot enkele micrometers, worden vaak gebruikt om zelfassemblageprocessen te bestuderen. Vanwege hun kleine formaat hebben zwaartekrachten een minimale invloed op hun beweging. Als gevolg hiervan hebben deze deeltjes de neiging om willekeurig te bewegen en tegelijkertijd met elkaar in wisselwerking te staan.

"Ondanks hun kleine formaat kunnen deze colloïdale deeltjes worden afgebeeld met behulp van conventionele microscopietechnieken", merkt Patrick Hage, voormalig Ph.D. onderzoeker en nu postdoc in de groep Self-Organizing Soft Matter. "Het rangschikken van deze materialen op deze lengteschaal kan resulteren in materialen met nieuwe mechanische en optische eigenschappen. Een natuurlijk voorbeeld van een colloïdale 'bovenbouw' met unieke optische eigenschappen is een opaal, dat is samengesteld uit kristallen van kleine silicabolletjes. Controle over de bovenbouw zou kunnen leiden tot nieuwe materialen voor fotonische kristallen, coatings en sensoren."

Belang van controle

Om responsieve en herconfigureerbare colloïdale materialen te creëren, is het erg belangrijk om controle te hebben over de interacties tussen deeltjes en het vermogen om deze interacties te moduleren met behulp van externe aanwijzingen.

Een manier om de interacties te helpen moduleren is via oppervlaktefunctionalisering, waarbij kleine enkelvoudige DNA-strengen aan het oppervlak van de deeltjes worden bevestigd. Net zoals je zou vinden in de kern van een cel in het menselijk lichaam, verbinden deze DNA-strengen zich met elkaar om een ​​DNA-helix te vormen.

"Het is de vorming van deze DNA-helixen die de deeltjes bij elkaar houden", zegt Hage. "Deeltjes met DNA op hun oppervlak kunnen worden gemoduleerd met behulp van temperatuur als trigger. Dit regelt hoe de deeltjes met elkaar interageren en leidt tot gecompliceerde structuren zoals colloïdale kristallen."

Meerdere triggers

Het doel van Hage's Ph.D. onderzoek was om een ​​systeem te ontwikkelen dat reageert op meerdere triggers - licht en temperatuur in dit geval. "Het gebruik van meerdere triggers zorgt voor controle over de groei van structuren in zowel ruimte als tijd."

Hage bereikte dit door een op licht reagerend molecuul toe te voegen aan de DNA-strengen die verantwoordelijk zijn voor colloïdale assemblage. Dit resulteerde in deeltjesinteracties die tegelijkertijd reageerden op zowel licht als temperatuur. Door deze deeltjes te combineren met een fluorescentiemicroscoop, een verwarmingskamer en een digitaal microspiegelapparaat konden de deeltjes worden gevisualiseerd terwijl tegelijkertijd een nauwkeurige temperatuurregeling en de mogelijkheid om licht met specifieke patronen op het monster toe te passen.

"Ik heb een opstelling gemaakt die het mogelijk maakt om de vorming van superstructuren (bijvoorbeeld kristallen) bij specifieke temperaturen in beeld te brengen, terwijl ik de mogelijkheid krijg om ongewenste structuren aan te passen of te verwijderen door lokale lichtpatronen toe te passen", zegt Hage. "In toekomstige processen kan deze dubbele besturing worden gebruikt om zelf-geassembleerde structuren te maken voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals geavanceerde sensoren of fotonische kristallen voor fotonische apparaten."

Hage zal nu het werk van zijn Ph.D. als onderdeel van een postdoc-positie van 4 maanden in dezelfde groep. "Ik kijk er naar uit om verder te werken aan het verder optimaliseren van het systeem en vervolgens de kennis over te dragen aan andere leden van de groep." + Verder verkennen

Röntgenstralen helpen wetenschappers designer-DNA te gebruiken om nieuwe vormen van materiaal te ontdekken