Naturen är en mästare. Genom att använda en nedifrån och upp-strategi, naturen tar små atomer och genom kemisk bindning, gör kristallina material, som diamanter, kisel och även bordssalt. I dem alla, egenskaperna hos kristallerna beror på typen och arrangemanget av atomer inom det kristallina gittret.

Nu, ett team av forskare från Northwestern University har lärt sig hur man kan toppa naturen genom att bygga kristallina material från nanopartiklar och DNA, samma material som definierar den genetiska koden för alla levande organismer.

Att använda nanopartiklar som "atomer" och DNA som "bindningar, "Forskarna har lärt sig hur man skapar kristaller med partiklarna arrangerade i samma typer av atomgitterkonfigurationer som vissa finns i naturen, men de har också byggt helt nya strukturer som inte har någon naturligt förekommande mineralisk motsvarighet.

De grundläggande designreglerna som forskarna från Northwestern har fastställt för detta tillvägagångssätt för sammansättning av nanopartiklar lovar möjligheten att skapa en mängd nya material som kan vara användbara i katalys, elektronik, optik, biomedicin och energiproduktion, lagrings- och konverteringstekniker.

Den nya metoden och designreglerna för att göra kristallina material från nanostrukturer och DNA kommer att publiceras 14 oktober av tidskriften Vetenskap .

"Vi bygger ett nytt periodiskt system, " sa professor Chad A. Mirkin, som ledde forskningen. "Att använda dessa nya designregler och nanopartiklar som" konstgjorda atomer, ' vi har utvecklat metoder för kontrollerad kristallisation som är, i många avseenden, kraftfullare än hur naturen och kemister gör kristallina material från atomer. Genom att styra storleken, form, typ och placering av nanopartiklar inom ett givet gitter, vi kan göra helt nya material och arrangemang av partiklar, inte bara vad naturen dikterar."

Mirkin är George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och professor i medicin, kemisk och biologisk ingenjörskonst, biomedicinsk ingenjörskonst och materialvetenskap och ingenjörskonst och chef för Northwesterns International Institute for Nanotechnology (IIN).

"När vi har en viss typ av galler, "Mirkin sa, "Partiklarna kan flyttas närmare varandra eller längre ifrån varandra genom att ändra längden på det sammankopplade DNA:t, vilket ger nästan oändlig avstämning."

"Detta arbete resulterade från ett tvärvetenskapligt samarbete som kopplade syntetisk kemi med teoretisk modellbyggnad, "sa medförfattaren George C. Schatz, en världsberömd teoretiker och Charles E. och Emma H. ​​Morrison professor i kemi vid Northwestern. "Det var fram och tillbaka mellan syntes och teori som var avgörande för utvecklingen av designreglerna. Samarbete är en speciell aspekt av forskningen vid Northwestern, och det fungerade mycket effektivt för det här projektet."

I studien, forskarna börjar med två lösningar av nanopartiklar belagda med enkelsträngat DNA. De lägger sedan till DNA-strängar som binder till dessa DNA-funktionaliserade partiklar, som sedan presenterar ett stort antal DNA "klibbiga ändar" på ett kontrollerat avstånd från partikelytan; dessa klibbiga ändar binder sedan till de klibbiga ändarna av intilliggande partiklar, bildar ett makroskopiskt arrangemang av nanopartiklar.

Olika kristallstrukturer uppnås genom att använda olika kombinationer av nanopartiklar (med varierande storlekar) och DNA-linkersträngar (med kontrollerbara längder). Efter en blandningsprocess och uppvärmning, de sammansatta partiklarna övergår från ett initialt oordnat tillstånd till ett där varje partikel är exakt lokaliserad enligt en kristallgitterstruktur. Processen är analog med hur ordnade atomkristaller bildas.

Forskarna rapporterar sex designregler som kan användas för att förutsäga den relativa stabiliteten hos olika strukturer för en given uppsättning av nanopartikelstorlekar och DNA-längder. I tidningen, de använder dessa regler för att förbereda 41 olika kristallstrukturer med nio distinkta kristallsymmetrier. Dock, designreglerna beskriver en strategi för att oberoende justera var och en av de relevanta kristallografiska parametrarna, inklusive partikelstorlek (varierade från 5 till 60 nanometer), kristallsymmetri och gitterparametrar (som kan variera från 20 till 150 nanometer). Det betyder att dessa 41 kristaller bara är ett litet exempel på det nästan oändliga antalet gitter som kan skapas med olika nanopartiklar och DNA -strängar.

Mirkin och hans team använde guldnanopartiklar i sitt arbete men noterar att deras metod också kan tillämpas på nanopartiklar av andra kemiska sammansättningar. Både typen av nanopartikel monterad och symmetrin hos den sammansatta strukturen bidrar till egenskaperna hos ett gitter, gör denna metod till ett idealiskt sätt att skapa material med förutsägbara och kontrollerbara fysiska egenskaper.

Mirkin tror att en dag snart, programvara kommer att skapas som gör det möjligt för forskare att välja de partikel- och DNA-par som krävs för att göra nästan vilken struktur som helst på begäran.