(Phys.org) - Drömmer upp nanostrukturer som har önskvärda optiska, elektronisk, eller magnetiska egenskaper är en sak. Att ta reda på hur man gör dem är en annan. En ny strategi använder bindningsegenskaperna hos komplementära DNA-strängar för att fästa nanopartiklar till varandra och bygger upp en skiktad tunnfilmsnanostruktur genom en serie kontrollerade steg. Undersökningar vid U.S. Department of Energy Office of Science Advanced Photon Source har avslöjat den exakta formen som strukturerna antog, och pekar på sätt att utöva ännu större kontroll över det slutliga arrangemanget.

Idén att använda DNA för att hålla nanopartiklar skapades för mer än 15 år sedan av Chad Mirkin och hans forskargrupp vid Northwestern University. De fäste korta längder av enkelsträngat DNA med en given sekvens till vissa nanopartiklar, och sedan fäst DNA med den komplementära sekvensen till andra. När partiklarna fick blandas, de "klibbiga ändarna" av DNA:t som är anslutna till varandra, vilket möjliggör reversibel aggregering och disaggregering beroende på hybridiseringsegenskaperna hos DNA-länkarna.

Nyligen, detta DNA "smarta lim" har använts för att sätta ihop nanopartiklar till ordnade arrangemang som liknar atomära kristallgitter, men i större skala. Hittills, nanopartikelsupergitter har syntetiserats i långt över 100 kristallformer, inklusive några som aldrig har observerats i naturen.

Dock, dessa supergitter är vanligtvis polykristallina, och storleken, siffra, och orienteringen av kristallerna inom dem är i allmänhet oförutsägbar. För att vara användbar som metamaterial, fotoniska kristaller, och liknande, enkla supergaller med konsekvent storlek och fast orientering behövs.

Northwestern forskare och en kollega vid Argonne National Laboratory har utarbetat en variant av DNA-länkningsproceduren som tillåter en större grad av kontroll.

De grundläggande elementen i supergittret var guld nanopartiklar, var 10 nanometer över. Dessa partiklar tillverkades i två distinkta varianter, en prydd med cirka 60 DNA-strängar av en viss sekvens, medan den andra bar den komplementära sekvensen.

Forskarna byggde upp tunnfilmssupergitter på ett kiselsubstrat som också var belagt med DNA-strängar. I en uppsättning experiment, substratet DNA var allt av en sekvens – kalla det "B"-sekvensen - och det doppades först i en suspension av nanopartiklar med den komplementära "A"-sekvensen.

När A och B slutar ansluta, nanopartiklarna bildade ett enda lager på substratet. Sedan upprepades processen med en suspension av nanopartiklar av B-typ, för att bilda ett andra lager. Hela cykeln upprepades, så många som fyra gånger till, att skapa ett flerskiktigt nanopartikelsupergitter i form av en tunn film.

Betesincidensstudier med liten vinkel röntgenspridning (GISAXS) utförda vid X-ray Science Division 12-ID-B strållinjen vid Argonne Advanced Photon Source avslöjade symmetri och orientering av supergittren när de bildades. Även efter bara tre halvcykler, teamet fann att nanopartiklarna hade ordnat sig i en väldefinierad, kroppscentrerad kubisk (bcc) struktur, vilket bibehölls när fler lager lades till.

I en andra serie experiment, forskarna sådde substratet med en blandning av både A- och B-typerna av DNA-strängar. Efterföljande exponering för de två nanopartikeltyperna gav samma bcc supergitter, men med en annan vertikal orientering. Det är, i det första fallet, substratet låg på ett plan genom gallret som bara innehåller en typ av nanopartikel, medan i det andra fallet, planet innehöll ett alternerande mönster av båda typerna (se figuren).

För att få ordnad tillväxt av superlatt, forskarna var tvungna att genomföra processen vid rätt temperatur. Alltför kallt, och nanopartiklarna skulle fastna på substratet på ett oregelbundet sätt, och förbli fast. För het, och DNA-kopplingarna skulle inte hålla ihop.

Men i ett temperaturintervall på ett par grader på vardera sidan av cirka 40°C (precis under temperaturen vid vilken de klibbiga DNA-ändarna lossnar från varandra), nanopartiklarna kunde kontinuerligt länka och koppla bort från varandra. Under en period av cirka en timme per halvcykel, de slog sig ner i bcc supergaller, det mest termodynamiskt stabila arrangemanget.

GISAXS avslöjade också att även om substratet tvingade supergitter till specifika vertikala inriktningar, det tillät nanopartikelkristallerna att bildas i vilken horisontell orientering som helst. Forskarna undersöker nu möjligheten att genom att mönstra substratet på ett lämpligt sätt, de kan styra orienteringen av kristallerna i båda dimensionerna, öka teknikens praktiska värde.