Naturen bygger felfria diamanter, safirer och andra ädelstenar. Nu är ett forskarlag från Northwestern University först med att bygga nästan perfekta enkristaller av nanopartiklar och DNA, använda samma struktur som gynnas av naturen.

"Enkla kristaller är ryggraden i många saker vi litar på - diamanter för skönhet såväl som industriella tillämpningar, safirer för lasrar och kisel för elektronik, " sade nanoforskaren Chad A. Mirkin. "Den exakta placeringen av atomer inom ett väldefinierat gitter definierar dessa högkvalitativa kristaller.

"Nu kan vi göra samma sak med nanomaterial och DNA, livets plan, " sa Mirkin. "Vår metod kan leda till nya teknologier och till och med möjliggöra nya industrier, precis som förmågan att odla kisel i perfekta kristallina arrangemang möjliggjorde halvledarindustrin för flera miljarder dollar."

Hans forskargrupp utvecklade "receptet" för att använda nanomaterial som atomer, DNA som bindningar och lite värme för att bilda små kristaller. Detta enkristallrecept bygger på supergittertekniker som Mirkins labb har utvecklat i nästan två decennier.

I detta senaste arbete, Mirkin, en experimentalist, slog sig ihop med Monica Olvera de la Cruz, en teoretiker, att utvärdera den nya tekniken och utveckla en förståelse för den. Med tanke på en uppsättning nanopartiklar och en specifik typ av DNA, Olvera de la Cruz visade att de exakt kan förutsäga 3D-strukturen, eller kristallform, i vilken de oordnade komponenterna självmonteras.

Mirkin är George B. Rathmann-professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences. Olvera de la Cruz är advokat Taylor Professor och professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid McCormick School of Engineering and Applied Science. De två är seniora medförfattare till studien.

Resultaten kommer att publiceras 27 november i tidskriften Natur .

Den allmänna uppsättningen instruktioner ger forskare oöverträffad kontroll över typen och formen på kristaller de kan bygga. Northwestern-teamet arbetade med guld nanopartiklar, men receptet kan appliceras på en mängd olika material, med potentiella tillämpningar inom materialvetenskap, fotonik, elektronik och katalys.

En enda kristall har ordning:dess kristallgitter är kontinuerligt och obrutet genomgående. Frånvaron av defekter i materialet kan ge dessa kristaller unika mekaniska, optiska och elektriska egenskaper, gör dem mycket önskvärda.

I Northwestern-studien, strängar av komplementärt DNA fungerar som bindningar mellan oordnade guldnanopartiklar, förvandla dem till en ordnad kristall. Forskarna fastställde att förhållandet mellan DNA-länkens längd och storleken på nanopartikeln är avgörande.

"Om du får rätt förhållande blir det en perfekt kristall - är det inte kul?" sa Olvera de la Cruz, som också är professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences. "Det är det fascinerande, att du måste ha rätt förhållande. Vi lär oss så många regler för att beräkna saker som andra människor inte kan beräkna i atomer, i atomkristaller."

Förhållandet påverkar energin i kristallernas ytor, som bestämmer den slutliga kristallformen. Förhållanden som inte följer receptet leder till stora fluktuationer i energi och resulterar i en sfär, inte en facetterad kristall, hon förklarade. Med rätt förhållande, energierna fluktuerar mindre och resulterar i en kristall varje gång.

"Tänk dig att ha en miljon bollar i två färger, lite rött, lite blått, i en behållare, och du försöker skaka dem tills du får omväxlande röda och blå bollar, " förklarade Mirkin. "Det kommer aldrig att hända.

"Men om du fäster DNA som är komplementärt till nanopartiklar - det röda har en typ av DNA, säga, det blå är komplement – ​​och nu skakar du, eller i vårt fall, bara rör i vatten, alla partiklar kommer att hitta varandra och länka samman, " sa han. "De sätts vackert samman till en tredimensionell kristall som vi förutspådde beräkningsmässigt och realiserade experimentellt."

För att uppnå en självmonterande enkristall i labbet, forskargruppen rapporterar att de tagit två uppsättningar guldnanopartiklar utrustade med komplementära DNA-linkersträngar. Arbetar med cirka 1 miljon nanopartiklar i vatten, de värmde lösningen till en temperatur strax över DNA-länkarnas smältpunkt och kylde sedan långsamt lösningen till rumstemperatur, som tog två eller tre dagar.

Den mycket långsamma nedkylningsprocessen uppmuntrade det enkelsträngade DNA:t att hitta sitt komplement, vilket resulterar i en högkvalitativ enkristall som är cirka tre mikron bred. "Processen ger systemet tillräckligt med tid och energi för alla partiklar att ordna sig och hitta de platser de ska vara i, " sa Mirkin.

Forskarna fastställde att längden på DNA kopplat till varje guldnanopartikel inte kan vara mycket längre än storleken på nanopartikeln. I studien, guldnanopartiklarna varierade från fem till 20 nanometer i diameter; för varje, DNA-längden som ledde till kristallbildning var cirka 18 baspar och sex enkelbasiga "klibbiga ändar".

"Det finns ingen anledning till att vi inte kan odla extraordinärt stora enkristaller i framtiden med modifieringar av vår teknik, sa Mirkin, som också är professor i medicin, kemisk och biologisk ingenjörskonst, biomedicinsk ingenjörskonst och materialvetenskap och ingenjörskonst och chef för Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

Titeln på uppsatsen är "DNA-medierad nanopartikelkristallisation i Wulff-polyedrar."

Förutom Mirkin och Olvera de la Cruz, författare till tidningen är Evelyn Auyeung (första författare), Ting I. N. G. Li, Andrew J. Senesi, Abrin L. Schmucker och Bridget C. Pals, alla från Northwestern.