Fotoniska kristaller är exotiska material med förmågan att leda ljusstrålar genom trånga utrymmen och kan vara viktiga komponenter i datorchips med låg effekt som använder ljus istället för elektricitet. Kostnadseffektiva sätt att producera dem har visat sig svårfångade, men forskare har nyligen vänt sig mot en överraskande källa för hjälp:DNA-molekyler.

I en tidning som publicerades den 18 oktober i tidskriften Naturmaterial , MIT forskare, tillsammans med kollegor vid Scripps Research Institute och University of Rochester, visade att små partiklar av guld och bollar av protein som kallas virusliknande partiklar, båda med DNA-strängar fästa vid dem, skulle spontant organisera sig i en gallerliknande struktur. Även om materialen i sig inte är användbara för att göra fotoniska kristaller, avstånden mellan partiklarna är exakt de som skulle göra det möjligt för en fotonisk kristall att styra ljus i det synliga spektrumet.

Fotoniska kristaller är gjorda av material med mycket olika brytningsindex:det vill säga, de böjer ljus i olika grad. Beroende på avstånden mellan materialen, kristallerna kommer att reflektera ljus av en viss våglängd med praktiskt taget ingen förlust. Att ställa in en fotonisk kristall till ljus i det synliga spektrumet kräver avstånd mellan material bara nanometer, vilket är svårt att göra med befintliga tillverkningstekniker. Hittills, de enda fotoniska kristallerna som fungerar i det synliga spektrumet är tvådimensionella:De kan reflektera ljus som färdas i ett plan men inte i det vinkelräta planet. En fotonisk kristall med dimensionerna av forskarnas nya guld-och-proteingitter, dock, skulle reflektera ljus i tre dimensioner, ett avgörande krav för att röra ljus genom de flera lagren av ett datorchip.

Konstiga sängkamrater

Abigail Lytton-Jean, en postdoc vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och en av den nya artikelns två huvudförfattare, började använda DNA för att skapa självmonterande kristaller som doktorand vid Northwestern University. Hon och hennes rådgivare, Chad Mirkin, tillsammans med Sung Yong Park, som nu är vid University of Rochester och är medförfattare till den nya tidningen, för, visade att att fästa DNA-strängar av olika sekvenser till guldnanopartiklar skulle få dem att självorganisera sig till kristaller med olika strukturer. Men det här är första gången tricket har utförts med flera material.

Även om guld och protein i sig inte är användbara för fotoniska kristaller, Lytton-Jean säger, – Det här visar mest att vi har två otroligt olika material. Vi har ett mjukt protein som är biologiskt till sin natur, och sedan går du till andra änden av spektrumet, där du har en hård metallisk sfär. Och om vi kan göra detta med dessa två typer av material, du kan göra detta med nästan vilken typ av material som helst.” Framtida fotoniska kristaller, hon förklarar, skulle mycket väl kunna använda kombinationer av metaller och plaster — igen, mjuka och hårda material.

Men Orlin Velev, Invista professor vid North Carolina State Department of Chemical and Biomolecular Engineering, säger, "Jag tror att den mer spännande applikationen är den sammanfogade sammansättningen av organiska och oorganiska partiklar till en enda struktur." Han påpekar att enheter i nanoskala som kombinerar biologiska molekyler och metaller kan fungera som läkemedelsleveransanordningar och som lågkostnadssensorer som skulle vara tillräckligt liten för att cirkulera genom kroppen.

Enligt Daniel Andersson, en docent vid Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology och en medförfattare till artikeln, det är en annan applikation som MIT-forskarna undersöker. Han nämner, till exempel, det lovande nya området för RNA-interferens (RNAi), där korta RNA-strängar används för att avbryta destruktiva biologiska processer. Nanoenheter som kombinerar organiska och oorganiska molekyler, Andersson säger, kunde "ta potentiellt terapeutiska molekyler och få dem dit de behöver gå." forskarnas arbete stöddes av National Institutes of Health och Skaggs Institute for Chemical Biology, såväl som W. M. Keck Foundation,

Velev påpekar att forskarnas arbete är grundläggande vetenskap, och att det "inte kommer att användas i morgon för praktiska tillämpningar." Lytton-Jean erkänner att för att självmontera till vanliga kristallina strukturer, nanopartiklar måste vara av enhetlig storlek, och att tillverka dem enligt exakta specifikationer är inte på något sätt trivialt. "För ett decennium sedan detta hade förmodligen inte varit möjligt, eftersom syntesen av guldnanopartiklar inte hade utvecklats så mycket som den har idag, " säger hon. Dessutom, lägger hon till, en av anledningarna till att hon och hennes kollegor använde guld och proteinpartiklar i sin senaste omgång av experiment är att kemin för att fästa DNA till guld och protein är välkänd. Men, lägger hon till, "En hel del arbete har gjorts på modifiering av polymera nanopartiklar. Kemin är nog inget stort problem.”