(PhysOrg.com) – Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har hittat ett nytt sätt att använda en syntetisk form av DNA för att kontrollera sammansättningen av nanopartiklar – denna gång vilket resulterar i omkopplingsbar, tredimensionella och små klusterstrukturer som kan vara användbara, till exempel, som biosensorer, i solceller, och som nytt material för datalagring. Arbetet beskrivs i Naturen nanoteknik, publicerad online 20 december, 2009.

Brookhaven-teamet, ledd av fysikern Oleg Gang, har förfinat tekniker för att använda strängar av artificiellt DNA som en mycket specifik typ av kardborreband eller lim för att koppla ihop nanopartiklar. Sådan DNA-baserad självmontering lovar den rationella designen av en rad nya material för tillämpningar inom molekylär separation, elektronik, energiomvandling, och andra områden. Men ingen av dessa strukturer har haft förmågan att förändras på ett programmerbart sätt som svar på molekylära stimuli - förrän nu.

"Nu använder vi en speciell typ av DNA-länkande enhet - ett slags "smart lim" - som påverkar hur partiklarna ansluter för att skapa strukturer som är omkopplingsbara mellan olika konfigurationer, säger Gang. Denna pålitliga, reversibel omkoppling kan användas för att reglera funktionella egenskaper - till exempel, ett materials fluorescens- och energiöverföringsegenskaper - för att göra nya material som är känsliga för förändrade förhållanden, eller för att ändra deras funktioner på begäran.

Sådan lyhördhet för förändringar i miljöförhållanden och förmågan att anta nya former är kännetecken för levande system. På det sättet, dessa nya nanomaterial efterliknar biologiska system närmare än någon tidigare nanostruktur. Även om långt ifrån någon form av verkligt "konstgjort liv, ” dessa material kan leda till designen av maskiner i nanoskala som, på en mycket enkel nivå, efterlikna cellulära processer som att omvandla solljus till användbar energi, eller känna närvaron av andra molekyler. Responsiva material skulle också ha fördelar inom optikområdet eller för att producera reglerade porösa material för molekylära separationer, säger gänget.

Forskarna uppnådde målet om lyhördhet genom att skapa strukturer där avståndet mellan nanopartiklar kan kontrolleras noggrant med nanometernoggrannhet.

"Många fysiska egenskaper hos nanomaterial, såsom optiska och magnetiska egenskaper, är starkt beroende av avståndet mellan nanopartiklar, ” Gäng förklarar.

I sina tidigare studier, forskarna använde enkla DNA-strängar fästa vid individuella nanopartiklar som länkmolekyler. När de fria ändarna av dessa DNA-strängar hade komplementär genetisk kod, de skulle binda för att fästa partiklarna. Att begränsa interaktionerna genom att förankra några av partiklarna på en yta gjorde det möjligt för forskarna att på ett tillförlitligt sätt bilda en mängd olika strukturer från tvåpartikelkluster (kallade dimerer) till mer komplexa 3D nanopartikelkristaller.

I det nya verket, forskarna har lagt till mer komplicerade dubbelsträngade DNA-strukturer. Till skillnad från de enkla trådarna, som lindas på okontrollerbara sätt, dessa dubbelsträngade strukturer är styvare och begränsar därför avstånden mellan partiklarna.

Dessutom, några av strängarna som utgör de dubbelsträngade DNA-molekylerna har komplicerade strukturer som slingor, som drar de bundna partiklarna närmare varandra än när båda strängarna är exakt parallella. Genom att variera typen av DNA-enhet, mellan loopade och oloopade trådar, och mäta interpartikelavstånden med hjälp av precisionstekniker vid Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS) och vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), forskarna visade att de effektivt kunde kontrollera avståndet mellan partiklarna och byta systemet från ett tillstånd till ett annat efter behag.

Tillvägagångssättet resulterade i två konfigurationer, omkopplingsbara system både i dimerer och nanokristaller, med en avståndsförändring på cirka 6 nanometer — cirka 25 procent av avståndet mellan partiklarna. Genom att jämföra kinetiken i de två systemen, de fann att växlingen mellan tillstånd är snabbare i det enklare, tvåpartikelsystem. Dimererna behåller också sin förmåga att återgå till sitt initiala tillstånd mer exakt än 3D-kristallerna, vilket tyder på att molekylär trängsel kan vara ett problem att ytterligare undersöka i 3D-materialen.

"Vår förhoppning är att förmågan att inducera omorganisation efter montering av dessa strukturer genom att lägga till DNA eller andra molekyler som yttre stimuli, och vår förmåga att observera dessa förändringar med nanometerupplösning, kommer att hjälpa oss att förstå dessa processer och hitta sätt att tillämpa dem i nya typer av nanomaskineri där systemets funktionalitet bestäms av nanopartiklarna och deras relativa organisation, säger Gang.

Framtida studier kommer att använda exakta avbildningsmöjligheter, såsom avancerade elektronmikroskopiverktyg vid CFN och röntgentekniker med högre upplösning som kommer att bli tillgängliga vid Brookhavens nya ljuskälla, NSLS-II, nu under uppbyggnad.