Tekniken blir mindre – vilket är goda nyheter.

Möjligheten att tillverka material med optisk, elektriska och mekaniska egenskaper av mycket små partiklar kan ha långtgående tillämpningar. Till exempel, mikropartiklar ympade med DNA kan användas inom medicin för bättre avkänning, bildbehandling och behandling. En förbättrad förståelse för hur dessa material beter sig kan leda till att löftet om precisionsmedicin uppfylls, bland andra applikationer.

Det finns fortfarande mycket att lära om hur man bäst styr tillverkningen av dessa mikromaterial. Självmonteringsprocessen av DNA-funktionaliserade partiklar i mikrostorlek leder till kristallisering, dvs. atomer och molekyler som omvandlas till en högstrukturerad form som kallas en kristall. Kristallisering börjar med kärnbildning - den process genom vilken atomer eller molekyler klungar ihop sig på mikroskopisk skala. Om klustren blir stabila och tillräckligt stora, kristalltillväxt kan förekomma. Atomer och föreningar kan i allmänhet bilda mer än en kristallstruktur, kallas polymorfism. Arrangemanget av partiklar bestäms under de tidiga stadierna av kristallisation.

Enligt Jeetain Mittal, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Lehigh University, strukturella transformationer som involverar potential för polymorfism under kristallisation har konventionellt tillskrivits kinetiska effekter, eller kärnbildningshastigheten, att förutsäga vilka strukturer som kan observeras när kristaller bildas. Detta är i linje med klassisk kärnbildningsteori.

Nu, Mittal och hans team har visat att kinetiska effekter kanske inte helt kan förklara strukturell transformation i alla polymorfa situationer och att yttermodynamik - relaterad till kristallitstorlek i motsats till hastighet - kan vara avgörande för att driva transformationer mellan kristallstrukturer. Teamet hittade en ny väg för strukturell transformation från kvadratiskt till hexagonalt gitter under kristalltillväxt som är termodynamiskt driven.

I många tidigare system, enligt Mittal, kristalliterna som uppvisar strukturell polymorfism har tillskrivits kinetiska effekter, relaterat till kärnbildningshastighet. I sitt arbete, Mittal och hans medarbetare tillhandahåller solida beräkningar för att visa att den strukturella transformationen kan vara helt termodynamisk, i motsats till det kinetiska argumentet, ur både teoretiska och beräkningsperspektiv. Ytterligare, en liknande strukturell transformation observeras i ett mer detaljerat modellerat system med användning av en grovkornig modell som representerar DNA-funktionaliserad partikel. Detta är ett starkt bevis på att sådana strukturella transformationer kan vara mycket mer generella och kan kopplas tillbaka till mer realistiska system.

"Att förstå kristalliseringsprocessen är särskilt viktigt för att kontrollera och förutsäga den producerade strukturen, "säger Runfang Mao, en aktuell Lehigh Ph.D. student och medförfattare på papper. "Även om det är användbart i många fall, klassisk kärnbildningsteori anses vara ogiltig i många system. Vi visar att sådan storleksberoende strukturomvandling är ett av dessa undantag, och att det drivs av termodynamiska egenskaper hos kristalliter med ändlig storlek. Så vitt vi vet, sådan storleksberoende strukturell transformation har inte tydligt illustrerats någon annanstans i litteraturen."

Deras resultat har publicerats idag i Vetenskapens framsteg i artikeln "Storleksberoende termodynamiskt strukturellt urval vid kolloidal kristallisation." Förutom Mittal och Mao, författare inkluderar Evan Pretti, Hasan Zerze, Minseok Song och Yajun Ding – alla nuvarande eller tidigare elever i Lehigh's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science.

Mittal och hans team studerade hur speciella blandningar av kolloider med DNA-strängar bundna till deras ytor kristalliseras till tvådimensionella gitter när kolloiderna interagerar med varandra. Kristallisation, som Pretti förklarar, börjar från små kluster av partiklar som växer och aggregerar, och under vissa förutsättningar, dessa kristalliter kan börja i en kristallstruktur och omvandlas till en annan allteftersom tiden går.

"Vi finner att för vårt system, dessa transformationer kan förklaras utifrån hur de relativa termodynamiska stabiliteterna hos de olika strukturerna påverkas av kristalliternas storlekar, "säger Pretti." I synnerhet för tillräckligt små kristalliter, ytornas termodynamik blir tillräckligt viktig för att de kan påverka strukturen, som utlöser de observerade transformationerna under självmontering."

Enligt Mittal, dessa DNA-funktionaliserade system är av särskilt intresse inom området kolloidal sammansättning, på grund av den stora flexibiliteten och variationen av möjligheter som erbjuds genom att använda olika typer av partiklar och sekvenser av DNA. Deras resultat, dock, är inte begränsade bara till sådana system, men skulle kunna ge en större förståelse för hur andra typer av kristalliseringsprocesser fungerar och kan kontrolleras.

Teamet började använda vanliga simuleringar av molekylär dynamik för att förstå hur deras system betedde sig. För att bevisa att omvandlingarna de såg var av termodynamiskt ursprung, de tog en befintlig metod som användes för att beräkna relativa termodynamiska stabiliteter för periodiska kristallina fasta ämnen, och modifierade den så att de kunde analysera sina ändliga kristalliter.

"Vi har identifierat en strukturell transformation som är reversibel och kan förklaras med endast termodynamiken för de finitstora kristallerna själva, ", säger Mittal. "Vårt arbete kan ge ett nytt sätt att se på och förklara transformationer i DNA-funktionaliserade partikelsystem och potentiellt även i andra typer av kristaller."