Nanoteknik tar sina första steg. Forskare från Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart har utvecklat en guld -nanocylinder utrustad med diskreta DNA -strängar som "fötter" som kan gå över en DNA -origami -plattform. De kan spåra nanowalkerns rörelser, som är mindre än gränsen för optisk upplösning, av spännande plasmoner i guld -nanocylindern. Plasmoner är kollektiva svängningar av många elektroner. Excitationen förändrar ljusstrålen, så att forskarna faktiskt kan observera nanowalker. Deras huvudsakliga mål är att använda sådana mobila plasmoniska nanoobjekt för att studera hur små partiklar interagerar med ljus.

Nanomaskiner - dvs mekaniska anordningar med dimensioner av nanometrar - kan en dag utföra specifika uppgifter inom områden som medicin, informationsbearbetning, kemi eller vetenskaplig forskning, enligt experter på nanoteknik. Ändå utgör miniatyrmaskiner som är tusentals gånger mindre än diametern på ett människohår betydande utmaningar för forskare:för det första, de enskilda beståndsdelarna består bara av ett litet antal atomer; det är knappt möjligt att hantera sådana komponenter, än mindre montera dem på ett exakt sätt. Dessutom, maskinerna skulle då behöva förses med energi. Och slutligen, forskarna kan inte helt enkelt kontrollera om deras enhet faktiskt fungerar. Mikroskopiteknikerna som är nödvändiga för sådan observation är komplexa och kräver till exempel vakuumkammare, där enheterna skulle förstöras. Vid Max Planck -institutet för intelligenta system i Stuttgart, ett team av forskare inklusive Chao Zhou och Xiaoyang Duan, under ledning av Laura Na Liu har nu skapat en nanowalker som de kan observera med hjälp av en nanooptisk effekt.

Nanowalkerns kropp består av en guldcylinder som är 35 nanometer lång och tio nanometer bred. "Cylinderns yta är grundad med många identiska DNA -strängar som effektivt fungerar som fötter, "Gruppledare Liu förklarar. Dessa DNA -trådar sticker ut från guldcylindern som borsten på en flaskborste." De låter guldcylindern komma i kontakt med ytan under och färdas över den. "

Nanowalkern går över en matta av DNA -trådar

Guldcylinderns gångväg består också av DNA - en DNA -origamimall, att vara precis. Utsträckta från detta vikta DNA -ställning som fibrer från en matta är längsgående rader med korta trådar som är parallella med cylindern och fungerar som fotfäste för rullatorns små fötter. Varje rad i DNA -mattan består av en annan kombination av baser, och varje rad representerar en station. Initialt, rullatorns fötter binder med två angränsande rader, medan fotfästen för de andra raderna förblir blockerade.

"Vandraren rör sig framåt i en rullande rörelse, från station till station, "säger Liu. För att göra detta möjligt, forskarna måste ständigt lägga till korta snuttar av DNA till vätskan i vilken åtgärden äger rum. Dessa utdrag är utformade för att matcha DNA för de enskilda raderna. Först bryter de upp en rad anslutningar som förbinder rullatorns fötter och plattformens DNA och blockerar foten på just den stationen. På motsatt sida av rullatorn, de blockerar sedan en separat rad, som cylinderns fötter nu kan fästa.

"Beroende på vad som läggs till, rullatorn rör sig antingen i ena riktningen eller i den andra, "förklarar Liu." Vi är inspirerade av naturligt förekommande molekylmotorer:Vätskan rör cylindern och fötterna fram och tillbaka med hjälp av termisk rörelse. "På grund av det faktum att fötterna bara någonsin gör om på ena sidan, rullatorn går sakta framåt. Varje steg är sju nanometer långt, som är över hundra tusen gånger mindre än den enda steget i en trämyra.

Forskare använder plasmonresonans för att spåra nanocylinderns väg

För att spåra den lilla maskinens väg, forskarna förlitade sig på en nanooptisk effekt som kallas plasmonresonans. Plasmoner är kollektiva svängningar av många elektroner och finns ofta i metaller, bland annat material. "Ljus kan interagera med plasmonerna i guldet, "Liu förklarar." Ljus absorberas delvis i processen i vårt fall, vilket resulterar i det som kallas plasmonresonans. "Genom att analysera ljusstrålen, forskarna kan mäta detta fenomen.

Bestämning av cylinderns exakta plats, dock, krävde att placera en andra, stationär guldnanocylinder på undersidan av DNA origami -plattformen. I stort sett, denna andra cylinder fungerar som referenspunkt. Anledningen till detta är att tillsammans, de två cylindrarna medför en förändring i ljusstrålens cirkulära polarisering:Ljus består av ett oscillerande elektromagnetiskt fält. Polarisationen motsvarar den riktning i vilken fältet oscillerar; i cirkulärt polariserat ljus, den vrider antingen medurs eller moturs. Genom att observera de spektrala förändringar som följer av interaktionen med cirkulärt polariserat ljus, forskarna kan bestämma rollatorns nuvarande position.

"Genom att använda detta tillvägagångssätt kunde vi spåra varje steg. Det är därför rullatorn är mer än bara ett mobilt element - den ger också information om sin plats, "säger Liu. Sofistikerad mikroskopteknik blev därmed överflödig för att observera plasmonic walker, som Liu bedömer som en föregångare till en "ny generation nanomaskiner med anpassade optiska egenskaper". Forskaren siktar nu på att använda detta verktyg för att ytterligare studera växelverkan mellan ljus och materia på nanoskala, liksom nanopartiklarnas mekaniska beteende. För om guldvandraren verkligen är avsedd att en dag nå sitt mål och slutföra olika uppgifter, det måste fortfarande ta en hel del steg - och inte bara på DNA -origami.