Den mest komplexa kristallen designad och byggd av nanopartiklar har rapporterats av forskare vid Northwestern University och bekräftats av forskare vid University of Michigan. Arbetet visar att några av naturens mest komplicerade strukturer kan sättas ihop medvetet om forskare kan kontrollera partiklarnas former och sättet att koppla ihop dem.

"Det här är en tour de force-demonstration av vad som är möjligt när man utnyttjar informationsinnehållet och kemin i DNA och kombinerar det med nanopartiklar som är en storlek och en form, " Northwesterns Chad A. Mirkin sa.

Mirkin är chef för forskargruppen som upptäckte sådana material och en pionjär inom konceptet programmerbar kolloidal kristallisation med nukleinsyror. Han är George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences.

Nanoteknik lovar att föra samman material på nya sätt, skapa nya möjligheter genom design. 1996, Mirkin introducerade konceptet med att använda nanopartiklar som atomer och syntetiskt DNA - livets blå print - som en kemiskt programmerbar bindning för att göra designermaterial baserat på partiklarnas förmåga att känna igen varandra genom sekvenser immobiliserade på deras ytor.

En potentiell tillämpning för kristaller byggda av nanopartiklar, som dessa nyligen rapporterade, är kontrollen av ljus – nanopartiklar interagerar bra med ljusvågor eftersom de är lika stora. Detta kan leda till material som kan ändra färger eller mönster på kommando eller blockera vissa våglängder av ljus, medan du sänder eller förstärker andra. Nya typer av linser, lasrar och till och med Star Trek-liknande cloaking material är möjliga.

"Vi kan bygga dessa komplexa byggstenar som gör det möjligt för forskare att göra material som du inte kan få naturligt ur atomer och molekyler, sa Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill kollegial professor i kemiteknik vid U-M. Hon ledde U-M-delen av studien.

Studien, med titeln "Clathrate Colloidal Crystals, " kommer att publiceras den 3 mars i tidskriften Vetenskap . Mirkin och Glotzer är medförfattare till tidningen.

I kemi, klatrater är kända för sina kammare som kan hysa små molekyler. De har använts för att fånga upp föroreningar från miljön, till exempel. Nanopartikelklustren lämnar också plats för last, som Mirkin föreslår kan vara användbart för förvaring, leverera och känna av material för miljö, medicinska diagnostiska och terapeutiska tillämpningar.

Medan naturliga material uppvisar en svindlande mängd kristallstrukturer, de flesta nanotekniska laboratorier kämpar för att komma förbi kubiska konstruktioner. Strukturerna producerade av Haixin Lin, nu postdoktor i Mirkins labb, är vida överlägsna.

De nya strukturerna bildades i kluster med upp till 42 partiklar, skissar ut komplexa polyedrar som den stora dodekaedern. Dessa kluster ansluts sedan till burliknande kristallstrukturer som kallas klatrater.

Fortfarande, historien är inte själva kristallen:det är hur kristallen gjordes och karaktäriserades. Mirkins grupp har banat väg för många strukturer genom att använda DNA-strängar som ett slags smart lim, länkar samman nanopartiklar på ett speciellt sätt. Partikeln är både en byggsten och en mall som styr bindningsinteraktioner. Under tiden, Glotzers grupp har kämpat för nanopartikelformens roll för att styra sammansättningen av kristallstrukturer genom datormodellering.

"Tchads grupp fick idén att utforska nya faser genom att titta på förutsägelser vi hade gjort, sa Glotzer, John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering. "En dag, Jag fick ett telefonsamtal från Tchad. "Vi har precis fått dessa otroliga strukturer!" han sa. Och han skickade ett sms till mig mikrofotografi efter mikrofotografi—de fortsatte bara att dyka upp. Han sa att vi måste hitta ett sätt att definitivt tilldela deras strukturer."

Elektronmikroskopbilderna visade klatrater som till stor del bildades tack vare formen på guldnanopartiklarna. Den bipyramidala formen, som två tillplattade pyramider som sitter ihop vid sina baser, var naturligtvis benägen att montera ihop till klatratstrukturer. Men för att göra det, de behövde DNA-strängar fästa vid sina sidor i precis rätt längd. När för kort, DNA-strängarna som gjorts oordnade, dåligt definierade strukturer, medan längre sekvenser tillät klatraterna att bildas.

Lin tillverkade systematiskt guldbipyramiderna med kantlängder på 250 nanometer - halva våglängden för blått ljus. Han modifierade dem sedan med DNA-sekvenser med olika längd för att bestämma den mest optimerade konstruktionen för att bilda de observerade kristallina strukturerna.

När han såg de exotiska mönstren i elektronmikroskopbilderna, han förde dem till Mirkin, som var både förtjust och fascinerad.

"De här är fantastiska - ingen hade gjort sådana strukturer tidigare, sa Mirkin, chef för Northwesterns International Institute for Nanotechnology (IIN).

Det var tydligt att de hade gjort faser som aldrig observerats tidigare, men det var viktigt att få strukturen korrekt tilldelad.

Efter att Mirkin larmade Glotzer, Sangmin Lee, doktorand i kemiteknik, och Michael Engel, en postdoktor, både på U-M, 3-D-printade bipyramider och satte ihop dem för att utforska hur de kan göra formerna i elektronmikrofotografierna. Sedan, de och deras medarbetare byggde en datormodell för att bekräfta att de DNA-kopplade nanopartiklarna verkligen skulle bilda klatratstrukturer.

"För att verkligen veta säkert, vi var tvungna att göra en simulering där du har formerna, du lägger in DNA-interaktionen och både bygger saken och ser om den är stabil i datorn, "Vi har också bara kastat partiklarna i en låda för att se om de självmonterade under samma typ av förhållanden som de använde i labbet."