In een artikel gepubliceerd in Science Op 18 januari presenteren wetenschappers Chad Mirkin en Sharon Glotzer en hun teams van respectievelijk de Northwestern University en de Universiteit van Michigan bevindingen op het gebied van nanotechnologie die van invloed kunnen zijn op de manier waarop geavanceerde materialen worden gemaakt.

Het artikel beschrijft een aanzienlijke sprong voorwaarts bij het assembleren van polyhedrale nanodeeltjes. De onderzoekers introduceren en demonstreren de kracht van een nieuwe synthetische strategie die de mogelijkheden op het gebied van metamateriaalontwerp vergroot. Dit zijn de ongebruikelijke materialen die ten grondslag liggen aan ‘onzichtbaarheidsmantels’ en ultrasnelle optische computersystemen.

"We manipuleren materialen op macroschaal in het dagelijks leven met onze handen", zegt Mirkin, George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences.

"Zelfs kleuters kunnen speelgoedbouwstenen gemakkelijk manipuleren, zodat ze mooi in elkaar passen om de ruimte te vullen. Op nanoschaal kunnen we onze handen niet gebruiken om bouwstenen van nanodeeltjes te manipuleren vanwege het enorme verschil in grootte tussen onze handen en de nanodeeltjes." P>

"Omdat DNA en nanodeeltjes afmetingen hebben op dezelfde lengteschaal en we deeltjes chemisch kunnen coderen met DNA, zodat ze kunnen worden ontworpen om complementaire deeltjes te herkennen, en daarom wordt het DNA effectief onze handen."

Deze "handen" zijn ontworpen om deeltjes met complementaire vormen te herkennen en deze te rangschikken om ruimtevullende structuren te vormen.

Een nieuwe methode om bruikbare nanodeeltjeskristallen te maken

Conventionele benaderingen voor het construeren van nanodeeltjeskristallen met behulp van DNA als bindend element moeten nog leiden tot driedimensionale (3D) ruimtegevulde tegelarrangementen. Om deze bruikbare, met ruimte gevulde kristallen te verkrijgen, gebruikten Northwestern-onderzoekers kortere en flexibelere moleculaire liganden dan die doorgaans worden gebruikt. Concreet gebruikten ze oligoethyleenglycol-gemodificeerd DNA.

De oligoethyleenglycoleenheden fungeren als een soort schokdemper die zich aanpast aan de juiste lengte om ervoor te zorgen dat de vormen bijna perfect in elkaar passen.

Tot nu toe heeft dit nieuwe bouwmateriaal geleid tot de synthese van 10 nieuwe colloïdale kristallen die anders niet zouden kunnen worden bereid en die het potentieel hebben om te worden gebruikt voor het ontwerp en de constructie van metamaterialen met ongekende eigenschappen.

Ware kleuren laten doorschijnen

Nanodeeltjes zijn inherent onvolmaakt – zelfs individuele deeltjes die in dezelfde synthetische batch zijn geproduceerd, hebben enigszins verschillende afmetingen en vormen – en deze eigenschap kan hun vermogen beperken om efficiënt ruimte te vullen wanneer ze samenkomen. Bovendien zijn de DNA-strengen die traditioneel bij de assemblage worden gebruikt bijna net zo lang of langer dan de diameter van de deeltjes en hebben ze dus enkele cruciale bijdragen van de deeltjesgeometrie bij de binding gemaskeerd. Het resultaat:deeltjes met goed gedefinieerde facetten blijken zich te gedragen als deeltjes die geometrisch minder complex zijn.

Het team overwon deze twee hindernissen door de bijdragen van de DNA-ligandomhulling en de vorm van nanodeeltjes te ontkoppelen. De DNA-strengen zijn inderdaad essentieel voor het assemblageproces:ze zijn de ‘lijm’ die wordt gemanipuleerd om de deeltjes bij elkaar te houden. Maar de onderzoekers gebruikten DNA-strengen die zowel veel korter als flexibeler waren.

Dankzij het korte DNA kan de vormcomplementariteit van de nanodeeltjes zowel worden onthuld als vervolgens worden weerspiegeld in het samengestelde product. Het flexibele DNA biedt de bewegingsruimte die nodig is om kleine onvolkomenheden in de grootte en vorm van polyedrische nanodeeltjes op te vangen.

Door deze bewegingsruimte kunnen nanodeeltjes met imperfecte vormen tegels creëren zoals die met de perfecte vormen. Op deze manier werden zeer geordende samenstellingen gevormd via facet-tot-face-uitlijning.

Twee voor de prijs van één

“Door de bijdragen van de DNA-ligandschaal en de kernvorm te ontkoppelen, hebben we een nieuwe grens in de nanotechnologie ontsloten, waardoor de creatie van zeer geordende colloïdale kristallen mogelijk wordt gemaakt met vormen en afmetingen die voorheen onmogelijk werden geacht. Deze doorbraak vergroot niet alleen de reikwijdte van colloïdale kristallen, maar presenteert ook een veelzijdige toolkit voor het ontwerpen van metamaterialen", zegt voormalig Mirkin Group-afgestudeerde student Wenjie Zhou, een van de hoofdauteurs van het onderzoek.

Opmerkelijk is dat deze nieuwe strategie twee belangrijke ontwerpstrategieën mogelijk maakt. Ten eerste kunnen imperfecte veelvlakkige bouwstenen of bouwstenen met totaal verschillende vormen worden samengevoegd tot zeer geordende ruimtevullende structuren. Ten tweede biedt flexibel DNA extra vrijheidsgraden bij de assemblage van niet-ruimtevullende veelvlakkige nanodeeltjes, wat leidt tot de creatie van complexe kristallen met symmetrieën die voorheen niet haalbaar waren met colloïdale kristalengineering met DNA.

De ontwerpruimte uitbreiden

Het onderzoek toont het vermogen aan om grote, ruimtevullende colloïdale kristallen te ontwikkelen met behulp van eenvoudige geometrische overwegingen. De gepresenteerde assemblages vertegenwoordigen slechts een fractie van de enorme ontwerpruimte van deze revolutionaire strategie. Daarom zal het belangrijk zijn om experiment en theorie te koppelen om tot bruikbare doelstructuren te komen.

"Hier werd het experimentele werk bevestigd door simulatie in silico, en ons theoretische werk bood nieuwe inzichten in wat er ex silico gebeurde", zegt Glotzer, afdelingsvoorzitter van de afdeling Chemische Technologie van Anthony C Lembke.

"Door een combinatie van beide onderzoeksmodi te gebruiken en samen te werken, leerden onze groepen veel meer over het systeem dan we ooit onafhankelijk hadden kunnen doen. Dit is de reden waarom interdisciplinair werk het absolute beste van wetenschap en techniek vertegenwoordigt."

In veel opzichten waren deze resultaten onverwacht. Mirkin zegt:"Het is verre van vanzelfsprekend dat je twee zeer onvolmaakte systemen kunt nemen en DNA-bindende elementen kunt ontwerpen die bijna perfecte, met de ruimte gevulde kristallen opleveren. Het is een verbluffende demonstratie van het nut van de blauwdruk van de natuur voor het coderen van de uitkomst van een materiaal."

Mirkin en Glotzer zijn de co-corresponderende auteurs van het artikel met de titel "Space-tiled colloidal crystals from DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing."

Meer informatie: Wenjie Zhou et al, In de ruimte betegelde colloïdale kristallen uit DNA-geforceerde vorm-complementaire veelvlakkenparen, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adj1021. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1021

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Northwestern University