Kristallisationsprocessen, där atomer eller molekyler radas upp i ordnade grupper som soldater i bildning, är grunden för många av de material som definierar det moderna livet, inklusive kisel i mikrochips och solceller. Men medan många användbara applikationer för kristaller involverar deras tillväxt på fasta ytor (snarare än i lösning), det har saknats bra verktyg för att studera denna typ av tillväxt.

Nu, ett team av forskare vid MIT och Draper har hittat ett sätt att reproducera tillväxten av kristaller på ytor, men i större skala som gör processen mycket lättare att studera och analysera. Det nya tillvägagångssättet beskrivs i ett papper i tidningen Naturmaterial , av Robert Macfarlane och Leonardo Zomberg på MIT, och Diana Lewis Ph.D. '19 och David Carter på Draper.

I stället för att montera dessa kristaller från verkliga atomer, nyckeln till att göra processen lätt att observera och kvantifiera var användningen av "programmerbara atomekvivalenter, "eller PAE, Macfarlane förklarar. Detta fungerar eftersom sätten atomer radas upp i kristallgaller är helt och hållet en fråga om geometri och inte förlitar sig på de specifika kemiska eller elektroniska egenskaperna hos dess beståndsdelar.

Teamet använde sfäriska nanopartiklar av guld, belagd med särskilt utvalda enkelsträngar av genetiskt manipulerat DNA, vilket ger partiklarna ungefär utseendet på Koosh -bollar. Enstaka DNA -strängar har den inneboende egenskapen att de fäster sig tätt vid motsvarande ömsesidiga strängar, för att bilda den klassiska dubbelhelixen, så den här konfigurationen ger ett säkert sätt att få partiklarna att anpassa sig på exakt önskat sätt.

"Om jag lägger en mycket tät borste av DNA på partikeln, det kommer att knyta så många band med så många närmaste grannar som möjligt, "Säger Macfarlane." Och om du designar allt på rätt sätt och bearbetar det korrekt, de kommer att bilda beställda kristallstrukturer. "Även om den processen har varit känd i några år, detta arbete är det första som tillämpar denna princip för att studera tillväxten av kristaller på ytor.

"Att förstå hur kristaller växer uppåt från en yta är otroligt viktigt för många olika fält, "säger han. Halvledarindustrin, till exempel, är baserad på tillväxten av stora enkristall- eller multikristallina material som måste kontrolleras med stor precision, men detaljerna i processen är svåra att studera. Det är därför användningen av överdimensionerade analoger som PAE kan vara av sådan fördel.

PAE:erna, han säger, "kristalliseras i exakt samma vägar som molekyler och atomer gör. Och så är de ett mycket trevligt proxysystem för att förstå hur kristallisering sker." Med detta system, egenskaperna hos DNA:t dikterar hur partiklarna samlas och 3D-konfigurationen de hamnar i.

De konstruerade systemet så att kristallerna nukleerar och växer från en yta och "genom att skräddarsy interaktionerna mellan partiklarna, och mellan partiklarna och den DNA-belagda ytan, vi kan diktera storleken, formen, orienteringen och graden av anisotropi (riktning) i kristallen, "Säger Macfarlane.

"Genom att förstå processen detta går igenom för att faktiskt bilda dessa kristaller, vi kan eventuellt använda det för att förstå kristalliseringsprocesser i allmänhet, " han lägger till.

Han förklarar att de resulterande kristallstrukturerna inte bara är 100 gånger större än de faktiska atomiska, men deras bildningsprocesser är också mycket långsammare. Kombinationen gör processen mycket lättare att analysera i detalj. Tidigare metoder för att karakterisera sådana kristallina strukturer visade bara sina slutliga tillstånd, saknar därmed komplexitet i bildningsprocessen.

"Jag kan ändra DNA -sekvensen. Jag kan ändra antalet DNA -strängar i partikeln. Jag kan ändra partikelns storlek och jag kan justera var och en av dessa individuella handtag oberoende av varandra, "Säger Macfarlane." Så om jag ville kunna säga, OK, Jag antar att den här specifika strukturen kan gynnas under dessa förhållanden om jag ställer in energin på ett sådant sätt, det är ett mycket lättare system att studera med PAE än det skulle vara med atomerna själva. "

Systemet är mycket effektivt, han säger, men DNA -strängar modifierade på ett sätt som möjliggör fastsättning på nanopartiklar kan vara ganska dyra. Som ett nästa steg, Macfarlane-labbet har också utvecklat polymerbaserade byggstenar som visar lovande att replikera samma kristallisationsprocesser och -material, men kan göras billigt i en multigramskala.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.