Att kontrollera självmonteringen av nanopartiklar till supergitter är ett viktigt tillvägagångssätt för att bygga funktionella material. Brookhaven -teamet använde nanosiserade byggstenar - kuber eller oktaedrar - dekorerade med DNA -tänder för att samordna sammansättningen av sfäriska nanopartiklar belagda med komplementära DNA -strängar. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
Att ta barns lek med byggstenar till en helt ny nivå-nanometerskalavetenskapliga forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har konstruerat 3D "superlattice" multikomponent-nanopartiklar där arrangeringen av partiklar drivs av formen på små byggstenar. Metoden använder länkmolekyler gjorda av komplementära DNA-strängar för att övervinna blockens tendens att packas ihop på ett sätt som skulle separera olika formade komponenter. Resultaten, publicerad i Naturkommunikation , är ett viktigt steg på vägen mot att designa förutsägbara kompositmaterial för tillämpningar inom katalys, annan energiteknik, och medicin.
"Om vi vill dra fördel av de lovande egenskaperna hos nanopartiklar, vi måste på ett tillförlitligt sätt kunna införliva dem i kompositmaterial i större skala för verkliga tillämpningar, " förklarade Brookhaven fysiker Oleg Gang, som ledde forskningen vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility.
"Vårt arbete beskriver ett nytt sätt att tillverka strukturerade kompositmaterial med hjälp av riktade bindningar av formade partiklar för förutsägbar montering, "sa Fang Lu, publikationens huvudförfattare.
Forskningen bygger på teamets erfarenhet av att länka samman nanopartiklar med hjälp av strängar av syntetiskt DNA. Liksom molekylen som bär den genetiska koden för levande saker, dessa syntetiska trådar har komplementära baser kända av de genetiska kodbokstäverna G, C, T, och A, som binder till varandra på bara ett sätt (G till C; T till A). Gang har tidigare använt kompletterande DNA -tetrar fästa vid nanopartiklar för att styra sammansättningen av en rad matriser och strukturer. Det nya verket utforskar partikelform som ett sätt att kontrollera riktningen av dessa interaktioner för att uppnå ordning på lång räckvidd i storskaliga sammansättningar och kluster.
DNA -tetrarna leder kubiska block och sfärer att montera sig själv så att en sfär binder till varje yta av en kub, vilket resulterar i en regelbunden, upprepande arrangemang. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
Sfäriska partiklar, Gäng förklarade, packar normalt ihop för att minimera ledig volym. DNA-linkers som använder komplementära strängar för att attrahera partiklar, eller icke-komplementära strängar för att hålla partiklar isär-kan ändra den packningen till viss del för att uppnå olika arrangemang. Till exempel, forskare har experimenterat med att placera komplementära länkarsträngar på strategiska platser på sfärerna för att få partiklarna att radas upp och binda på ett visst sätt. Men det är inte så lätt att göra nanosfärer med exakt placerade länkarsträngar.
"Vi utforskade en alternativ idé:introduktionen av formade nanoskala "block" dekorerade med DNA-tjuder på varje aspekt för att kontrollera riktningsbindningen av sfärer med komplementära DNA-bindningar, "Gäng sa.
När forskarna blandade nanokuber belagda med DNA -tetrar på alla sex sidor med nanosfärer av ungefär samma storlek, som hade belagts med kompletterande tjuder, dessa två olika formade partiklar segregerade inte som förväntat baserat på deras normala packningsbeteende. Istället, DNA -"limet" förhindrade separationen genom att åstadkomma en attraktiv kraft mellan blockens plana fasetter och fästena på sfärerna, samt en frånstötande kraft mellan de icke-parande tjudren på samma formade föremål.
"DNA tillåter oss att genomdriva regler:sfärer attraherar kuber (ömsesidigt); sfärer attraherar inte sfärer; och kuber attraherar inte kuber, "Gänget sa." Detta bryter den konventionella packningstendensen och gör det möjligt för systemet att självmonteras till en växlande uppsättning kuber och sfärer, där varje kub är omgiven av sex sfärer (en till en yta) och varje sfär är omgiven av sex kuber." Genom att använda oktaedriska block istället för kuber uppnåddes ett annat arrangemang, med en sfär som binder till var och en av blockens åtta triangulära fasetter.
Nanoblock och sfärer är belagda med komplementära DNA -tetrar så att de två olika formerna lockar och binder till varandra. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
The method required some thermal processing to achieve the most uniform long-range order. And experiments with different types of DNA tethers showed that having flexible DNA strands was essential to accommodate the pairing of differently shaped particles.
"The flexible DNA shells 'soften' the particles, which allows them to fit into arrangements where the shapes do not match geometrically, " Lu said. But excessive softness results in unnecessary particle freedom, which can ruin a perfect lattice, she added. Finding the ideal flexibility for the tethers was an essential part of the work.
The scientists used transmission and scanning electron microscopy at the CFN and also conducted x-ray scattering experiments at the National Synchrotron Light Source, another DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab, to reveal the structure and take images of assembled clusters and lattices at various length scales. They also explained the experimental results with models based on the estimation of nanoscale interactions between the tiny building blocks.
"I sista hand, this work shows that large-scale binary lattices can be formed in a predictable manner using this approach, " Gang said. "Given that our approach does not depend on the particular particle's material and the large variety of particle shapes available-many more than in a child's building block play set-we have the potential to create many diverse types of new nanomaterials."
