Forskare vid U.S. Department of Energy Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett allmänt tillvägagångssätt för att kombinera olika typer av nanopartiklar för att producera storskaliga kompositmaterial. Tekniken, beskrivs i en artikel publicerad av Naturnanoteknik den 20 oktober, 2013, öppnar många möjligheter för blandning och matchning av partiklar med olika magnetiska, optisk, eller kemiska egenskaper för att bilda nya, multifunktionella material eller material med förbättrad prestanda för ett brett spektrum av potentiella applikationer.

Tillvägagångssättet drar fördel av den attraktiva parningen av komplementära strängar av syntetiskt DNA-baserat på molekylen som bär den genetiska koden i sin sekvens av matchade baser som är kända med bokstäverna A, T, G, och C. Efter beläggning av nanopartiklarna med en kemiskt standardiserad "konstruktionsplattform" och tillsats av förlängningsmolekyler till vilka DNA lätt kan binda, forskarna fäster kompletterande laboratoriedesignade DNA-strängar till de två olika typerna av nanopartiklar de vill koppla ihop. Den naturliga parningen av matchande strängar "samlar" sedan partiklarna till en tredimensionell uppsättning som består av miljarder partiklar. Varierar längden på DNA -länkarna, deras ytdensitet på partiklar, och andra faktorer ger forskare möjligheten att kontrollera och optimera olika typer av nybildade material och deras egenskaper.

"Vår studie visar att DNA-drivna monteringsmetoder möjliggör konstruktion av storskaliga" superlattice "nanokompositer från ett brett spektrum av nanokomponenter som nu finns tillgängliga, inklusive magnetiska, katalytisk, och fluorescerande nanopartiklar, "sa Brookhaven -fysikern Oleg Gang, som ledde forskningen vid Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Detta framsteg bygger på vårt tidigare arbete med enklare system, där vi visade att parning av nanopartiklar med olika funktioner kan påverka de enskilda partiklarnas prestanda, och det erbjuder vägar för tillverkning av nya material med kombinerade, förstärkt, eller till och med helt nya funktioner. "

Framtida tillämpningar kan omfatta kvantprickar vars glödande fluorescens kan styras av ett externt magnetfält för nya typer av switchar eller sensorer; guld nanopartiklar som synergistiskt förbättrar ljusstyrkan i kvantprickarnas fluorescerande glöd; eller katalytiska nanomaterial som absorberar "gifterna" som normalt försämrar deras prestanda, Sa gänget.

"Moderna nanosyntesmetoder ger forskare olika typer av nanopartiklar från ett stort antal atomelement, "sa Yugang Zhang, tidningens första författare. "Med vårt tillvägagångssätt, forskare kan utforska parning av dessa partiklar på ett rationellt sätt. "

Att para ihop olika partiklar utgör många utmaningar forskarna undersökte i arbetet som ledde fram till detta dokument. För att förstå de grundläggande aspekterna av olika nybildade material använde de ett brett spektrum av tekniker, inklusive röntgenspridningsstudier vid Brookhaven National Synchrotron Light Source (NSLS) och spektroskopi och elektronmikroskopi vid CFN.

Till exempel, forskarna undersökte effekten av partikelform. "I princip, olika formade partiklar vill inte samexistera i ett gitter, "sa gänget." De tenderar antingen att separera i olika faser som olja och vatten som vägrar att blanda eller bilda störda strukturer. "Forskarna upptäckte att DNA inte bara hjälper partiklarna att blanda, men det kan också förbättra ordningen för sådana system när ett tjockare DNA -skal runt partiklarna används.

De undersökte också hur DNA-parningsmekanismen och andra inneboende fysiska krafter, såsom magnetisk attraktion bland partiklar, kan tävla under monteringsprocessen. Till exempel, magnetiska partiklar tenderar att klumpa sig för att bilda aggregat som kan hindra bindningen av DNA från en annan typ av partikel. "Vi visar att kortare DNA -strängar är mer effektiva för att konkurrera mot magnetisk attraktion, Sa gänget.

För den speciella komposit av guld och magnetiska nanopartiklar de skapade, forskarna upptäckte att applicering av ett externt magnetfält kan "byta" materialets fas och påverka ordningen av partiklarna. "Detta var bara en demonstration av att det går att göra, men det kan ha en applikation-kanske magnetiska omkopplare, eller material som kan ändra form efter behov, sa Zhang.

Den tredje grundläggande faktorn forskarna utforskade var hur partiklarna ordnades i supergitterarrayerna:Upptar en typ av partikel alltid samma position i förhållande till de andra typliknande pojkarna och tjejerna som sitter på alternerande platser i en biograf-eller är de varvat mer slumpmässigt? "Detta är vad vi kallar en kompositionsordning, vilket är viktigt till exempel för kvantpunkter eftersom deras optiska egenskaper, t.ex. deras förmåga att lysa-beror på hur många guldnanopartiklar som finns i den omgivande miljön, "sa Gang." Om du har kompositionsstörning, de optiska egenskaperna skulle vara olika. "I experimenten, öka tjockleken på de mjuka DNA -skalen runt partiklarna ökade sammansättningsstörning.

Dessa grundläggande principer ger forskare en ram för att designa nya material. De specifika förhållanden som krävs för en viss applikation beror på vilka partiklar som används, Zhang betonade, men generalförsamlingsmetoden skulle vara densamma.

Sa Gang, "Vi kan variera längden på DNA-strängarna för att ändra avståndet mellan partiklar från cirka 10 nanometer till under 100 nanometer-vilket är viktigt för applikationer eftersom många optiska, magnetisk, och andra egenskaper hos nanopartiklar beror på positioneringen i denna skala. Vi är glada över de vägar denna forskning öppnar när det gäller framtida riktningar för konstruktion av nya materialklasser som utnyttjar kollektiva effekter och multifunktionalitet. "