Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har precis tagit ett stort steg mot målet att konstruera dynamiska nanomaterial vars struktur och tillhörande egenskaper kan ändras på begäran. I en tidning som dyker upp i Naturmaterial , de beskriver ett sätt att selektivt omordna nanopartiklarna i tredimensionella arrayer för att producera olika konfigurationer, eller faser, från samma nanokomponenter.

"Ett av målen med självmontering av nanopartiklar har varit att skapa strukturer genom design, sa Oleg Gang, som ledde arbetet vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility. "Tills nu, de flesta av de strukturer vi har byggt har varit statiska. Nu försöker vi uppnå ett ännu mer ambitiöst mål:att tillverka material som kan förvandlas så att vi kan dra nytta av egenskaper som uppstår med partiklarnas omarrangemang."

Förmågan att styra omarrangemang av partiklar, eller fasförändringar, kommer att tillåta forskarna att välja de önskade egenskaperna, säg, materialets svar på ljus eller ett magnetfält - och byt dem efter behov. Sådana fasförändrande material kan leda till nya tillämpningar, såsom dynamisk energiskörd eller lyhörda optiska material.

DNA-riktad omarrangemang

Detta senaste framsteg inom nanoskalateknik bygger på teamets tidigare arbete med att utveckla sätt att få nanopartiklar att självmontera till komplexa kompositmatriser, inklusive att länka dem tillsammans med tjuder konstruerade av komplementära strängar av syntetiskt DNA. I detta fall, de började med en samling av nanopartiklar som redan var länkade i en vanlig array genom den komplementära bindningen av A, T, G, och C-baser på enkelsträngade DNA-tjuder, lade sedan till "omprogrammerande" DNA-strängar för att ändra interpartikelinteraktionerna.

"Vi vet att egenskaperna hos material byggda av nanopartiklar är starkt beroende av deras arrangemang, sade Gang. "Tidigare, vi har till och med kunnat manipulera optiska egenskaper genom att förkorta eller förlänga DNA-bindningarna. Men det tillvägagångssättet tillåter oss inte att åstadkomma en global omorganisation av hela strukturen när den väl redan är byggd."

I det nya tillvägagångssättet, de omprogrammerande DNA-strängarna fäster vid öppna bindningsställen på de redan sammansatta nanopartiklarna. Dessa strängar utövar ytterligare krafter på de sammanlänkade nanopartiklarna.

"Genom att introducera olika typer av omprogrammerade DNA-strängar, vi modifierar DNA-skalen som omger nanopartiklarna, " förklarade CFN postdoktor Yugang Zhang, huvudförfattaren på tidningen. "Att ändra dessa skal kan selektivt förskjuta partikel-partikel-interaktionerna, antingen genom att öka både attraktion och avstötning, eller genom att separat öka endast attraktion eller endast repulsion. Dessa omprogrammerade interaktioner lägger nya begränsningar på partiklarna, tvingar dem att skapa en ny strukturell organisation för att tillfredsställa dessa begränsningar."

Med hjälp av deras metod, teamet visade att de kunde byta sin ursprungliga nanopartikeluppsättning, "mamma" fasen, in i flera olika dotterfaser med precisionskontroll.

Detta skiljer sig helt från fasförändringar som drivs av yttre fysiska förhållanden som tryck eller temperatur, Gäng sa, vilket vanligtvis resulterar i enfasförskjutningar, eller ibland sekventiella. "I dessa fall, att gå från fas A till fas C, du måste först växla från A till B och sedan B till C, ", sa Gang. "Vår metod tillåter oss att välja vilken dotterfas vi vill ha och gå direkt till den eftersom dotterfasen helt bestäms av vilken typ av DNA-omprogrammeringssträngar vi använder."

Forskarna kunde observera de strukturella transformationerna till olika dotterfaser med hjälp av en teknik som kallas in situ röntgenspridning med små vinklar vid National Synchrotron Light Source, en annan DOE Office of Science User Facility som fungerade vid Brookhaven Lab från 1982 till september förra året (nu ersatt av NSLS-II, som producerar röntgenstrålar 10, 000 gånger ljusare). Teamet använde också beräkningsmodellering för att beräkna hur olika typer av omprogrammeringssträngar skulle förändra interpartikelinteraktionerna, och fann att deras beräkningar stämde väl överens med deras experimentella observationer.

"Förmågan att dynamiskt byta fasen av en hel supergitter-array kommer att möjliggöra skapandet av omprogrammerbara och omkopplingsbara material där flera, olika funktioner kan aktiveras på begäran, " sa Gang. "Vårt experimentella arbete och medföljande teoretiska analyser bekräftar att omprogrammering av DNA-medierade interaktioner mellan nanopartiklar är ett gångbart sätt att uppnå detta mål."