Använda buntade DNA-strängar för att bygga Tinkertoy-liknande tetraedriska burar, forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har utarbetat ett sätt att fånga och ordna nanopartiklar på ett sätt som efterliknar diamantens kristallina struktur. Uppnåendet av detta komplexa men eleganta arrangemang, som beskrivs i en tidning publicerad den 5 februari, 2016, i Vetenskap , kan öppna en väg till nya material som drar fördel av de optiska och mekaniska egenskaperna hos denna kristallina struktur för applikationer som optiska transistorer, färgskiftande material, och lätta men ändå tuffa material.

"Vi löste en 25-årig utmaning med att bygga diamantgaller på ett rationellt sätt via självmontering, sa Oleg Gang, en fysiker som ledde denna forskning vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) vid Brookhaven Lab i samarbete med forskare från Stony Brook University, Wesleyan University, och Nagoya University i Japan.

Forskarna använde en teknik utvecklad av Gang som använder tillverkat DNA som ett byggnadsmaterial för att organisera nanopartiklar i 3D rumsliga arrangemang. De använde repliknande buntar av dubbelhelix-DNA för att skapa stela, tredimensionella ramar, och tillsatte dinglande bitar av enkelsträngat DNA för att binda partiklar belagda med komplementära DNA-strängar.

"Vi använder exakt formade DNA-konstruktioner gjorda som en ställning och enkelsträngade DNA-tjuder som ett programmerbart lim som matchar partiklar enligt parningsmekanismen för den genetiska koden-A binder till T, G binder med C, sade Wenyan Liu från CFN, huvudförfattaren på tidningen. "Dessa molekylära konstruktioner är byggstenar för att skapa kristallina gitter gjorda av nanopartiklar."

Svårigheten med diamant

Som Liu förklarade, "Att bygga diamantsupergitter av partiklar i nano- och mikroskala med hjälp av självmontering har visat sig vara anmärkningsvärt svårt. Det utmanar vår förmåga att manipulera materia i liten skala."

Orsakerna till denna svårighet inkluderar strukturella egenskaper som en låg packningsfraktion, vilket betyder att i ett diamantgitter, i motsats till många andra kristallina strukturer, partiklar upptar bara en liten del av gittervolymen och stark känslighet för hur bindningar mellan partiklar är orienterade. "Allt måste passa ihop på just ett sådant sätt utan någon förskjutning eller rotation av partiklarnas positioner, "Gäng sa. "Eftersom diamantstrukturen är väldigt öppen, många saker kan gå fel, leder till oordning."

"Till och med att bygga sådana strukturer en efter en skulle vara utmanande, " tillade Liu, "och vi behövde göra det genom självmontering eftersom det inte finns något sätt att manipulera miljarder nanopartiklar en efter en."

Gangs tidigare framgång med att använda DNA för att konstruera ett brett spektrum av nanopartikelmatriser antydde att en DNA-baserad metod skulle kunna fungera i detta fall.

DNA vägleder montering

Teamet använde först de repliknande DNA-buntarna för att bygga tetraedriska "burar" - ett 3D-objekt med fyra triangulära ytor. De lade till enkelsträngade DNA-tjuder som pekade mot det inre av burarna med hjälp av T, G, C, En sekvens som matchade med komplementära tjuder fästa till guld nanopartiklar. När det blandas i lösning, de kompletterande tjuden parades ihop för att "fånga" en guldnanopartikel inuti varje tetraederbur.

Arrangemanget av guldnanopartiklar utanför burarna styrdes av en annan uppsättning DNA-tjuder fästa vid tetraedrarnas hörn. Varje uppsättning av hörn bundna med komplementära DNA-tjuder fästa till en andra uppsättning guldnanopartiklar.

När det blandas och glödgas, de tetraedriska arrayerna bildade supergitter med ordning på lång räckvidd där positionerna för guldnanopartiklarna efterliknar arrangemanget av kolatomer i ett gitter av diamant, men i en skala ungefär 100 gånger större.

"Även om det här monteringsscenariot kan verka hopplöst ohämmat, vi demonstrerar experimentellt att vårt tillvägagångssätt leder till det önskade diamantgittret, drastiskt effektivisera monteringen av en så komplex struktur, "Gäng sa.

Beviset finns i bilderna. Forskarna använde kryogen transmissionselektronmikroskopi (cryo-TEM) för att verifiera bildandet av tetraedriska ramar genom att rekonstruera deras 3D-form från flera bilder. Sedan använde de in-situ liten vinkel röntgenspridning (SAXS) vid National Synchrotron Light Source (NSLS), och kryoskanning transmissionselektronmikroskopi (kryo-STEM) vid CFN, för att avbilda arrayerna av nanopartiklar i det fullt konstruerade gittret.

"Vårt tillvägagångssätt bygger på självorganiseringen av tetraedrarnas triangulärt formade trubbiga hörn (så kallade "fotspår") på isotropa sfäriska partiklar. Dessa triangulära fotspår binder till sfäriska partiklar belagda med komplementärt DNA, vilket gör att partiklarna kan koordinera sitt arrangemang i rymden relativt varandra. Dock, fotavtrycken kan ordna sig i en mängd olika mönster på en sfär. Det visar sig att en viss placering är mer gynnsam, och det motsvarar den unika 3D-placeringen av partiklar som låser diamantgittret, "Gäng sa.

Teamet stödde sin tolkning av de experimentella resultaten med hjälp av teoretisk modellering som gav insikt om de viktigaste faktorerna som driver den framgångsrika bildandet av diamantgitter.

Glittrande implikationer

"Detta arbete tar till nanoskalan den kristallografiska komplexiteten som ses i atomsystem, sa gänget, som noterade att metoden lätt kan utökas för att organisera partiklar av olika materialsammansättningar. Gruppen har tidigare visat att DNA-sammansättningsmetoder kan tillämpas på optiska, magnetisk, och katalytiska nanopartiklar också, och kommer sannolikt att ge den länge eftersökta nya optiska och mekaniska material forskare har föreställt sig.

"Vi har visat ett nytt paradigm för att skapa komplexa 3D-ordnade strukturer via självmontering. Om du kan bygga detta utmanande galler, tanken är att du kan bygga potentiellt en mängd olika önskade galler, " han sa.