Illustrationen visar hur droppar med olika DNA-strängar först kombineras till kedjor, som sedan programmeras att vikas till specifika geometrier, analogt med proteinveckning. Mattan framhäver en vikningsväg av en hexamerkedja som vikas till en polytetraeder. Zoomen visar hur bildandet av DNA-dubbla helixar driver dropp-dropp-bindning. Kredit:Kaitlynn Snyder
Ett team av fysiker har skapat ett nytt sätt att självmontera partiklar - ett framsteg som erbjuder nya löften för att bygga komplexa och innovativa material på mikroskopisk nivå.
Självmontering, som introducerades i början av 2000-talet, ger forskare ett sätt att "förprogrammera" partiklar, vilket gör det möjligt att bygga material utan ytterligare mänsklig inblandning - den mikroskopiska motsvarigheten till Ikea-möbler som kan montera sig själva.
Genombrottet, rapporterat i tidskriften Nature , fokuserar på emulsioner – oljedroppar nedsänkta i vatten – och deras användning vid självmontering av foldamers, som är unika former som teoretiskt kan förutsägas utifrån sekvensen av droppinteraktioner.
Självmonteringsprocessen lånar från biologin och efterliknar veckningen av proteiner och RNA med hjälp av kolloider. I Natur I arbetet skapade forskarna små, oljebaserade droppar i vatten, med en rad DNA-sekvenser som fungerade som monterings-"instruktioner". Dessa droppar samlas först till flexibla kedjor och kollapsar sedan sekventiellt, eller viker sig, via klibbiga DNA-molekyler. Denna vikning ger ett dussin typer av foldamers, och ytterligare specificitet kan koda för mer än hälften av 600 möjliga geometriska former.
Mikroskopibilder visar en kedja av alternerande blå och gula droppar som viker sig till en krongeometri genom blå-blå, blå-gula och slutligen gul-gula interaktioner, medierade av klibbiga DNA-strängar. Mikroskopiska droppar är programmerade att interagera via klibbiga DNA-strängar för att unikt vikas till väldefinierade former, som visas här. Kredit:Brujic Lab
"Att kunna förprogrammera kolloidala arkitekturer ger oss möjlighet att skapa material med invecklade och innovativa egenskaper", förklarar Jasna Brujic, professor vid New York Universitys fysikavdelning och en av forskarna. "Vårt arbete visar hur hundratals självmonterade geometrier kan skapas unikt, vilket erbjuder nya möjligheter för att skapa nästa generations material."
Forskningen inkluderade också Angus McMullen, en postdoktor vid NYU:s institution för fysik, samt Maitane Muñoz Basagoiti och Zorana Zeravcic från ESPCI Paris.
Forskarna betonar den kontraintuitiva och banbrytande aspekten av metoden:I stället för att kräva ett stort antal byggstenar för att koda exakta former, innebär dess vikningsteknik att endast ett fåtal är nödvändiga eftersom varje block kan anta en mängd olika former.
"Till skillnad från ett pussel, där varje bit är annorlunda, använder vår process bara två typer av partiklar, vilket avsevärt minskar mängden byggstenar som behövs för att koda en viss form", förklarar Brujic. "Innovationen ligger i att använda vikning på samma sätt som proteiner gör, men på en längdskala som är 1 000 gånger större — ungefär en tiondel av bredden på ett hårstrå. Dessa partiklar binder först samman och bildar en kedja, som sedan viker sig enligt till förprogrammerade interaktioner som styr kedjan genom komplexa vägar till en unik geometri."
"Förmågan att få ett lexikon av former öppnar vägen till ytterligare sammansättning till material i större skala, precis som proteiner hierarkiskt aggregerar för att bygga cellulära fack i biologin", tillägger hon. + Utforska vidare
