När du tar med dig en låda hem från möbelaffären, du förväntar dig inte skruvarna, lameller, och andra bitar för att magiskt konvergera till en säng eller ett bord. Ändå sker denna självmontering varje dag i naturen. Ingenting säger åt atomer att länka ihop; ingenting säger DNA hur man bildar. Levande material innehåller själva instruktionerna och förmågan att bli en större helhet.

"Självmontering är den universella processen genom vilken mycket komplexa strukturer sätts samman i naturen. De är dynamiska, de är multifunktionella, de är anpassningsbara, "sade Nick Kotov, en forskare vid University of Michigan.

Att låsa upp självmontering kan tillåta oss att skapa material som inte existerar naturligt och vi kan för närvarande inte skapa oss själva.

Med självmontering, forskare kan skapa anpassade material som är både mångsidiga som biologiska system och tuffa som industriella. Dessa material kan användas i bättre vattenrenare, mer effektiva solceller, snabbare katalysatorer som förbättrar tillverkningen, och nästa generations elektronik. Att använda självmontering i tillverkningen kan också leda till billigare och effektivare processer.

"Vi vill göra syntetiska material som konkurrerar med det vi ser i naturen, "sa Ron Zuckermann, en forskare vid Molecular Foundry, en Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning. "Biologiska system är mycket känsliga och ömtåliga. Vi vill göra robusta industriella material som kan göra samma saker [de gör]."

Men forskare kan inte skapa saker som kombinerar det bästa av både biologiska och syntetiska egenskaper av vilket ämne som helst. Nanopartiklar är sannolikt nyckeln. När forskare monterar dessa små partiklar i ark eller rör, slutprodukten är ofta bara en atom hög. På grund av deras storlek, nanopartiklar agerar annorlunda än stora mängder av samma material. Till exempel, en bit guld sprider inte ljus som en diamant gör. Men guldnanopartiklar sprider ljus mycket bra, vilket gör dem användbara i elektronmikroskop. Till skillnad från vanliga material, forskare kan kontrollera nanopartiklarnas egenskaper genom att ändra storlek och form.

Just nu, industrin kan bara använda en typ av nanopartikel åt gången. Det är vad du ser i solskyddsmedel och tyger som använder nanopartiklar. Dock, att bygga anpassade material, forskare måste få flera typer av nanopartiklar att interagera. För närvarande, det enda sättet att göra detta är att konstruera dessa material partikel för partikel. Detta är en mycket tidskrävande process.

För att utöka nanopartiklarnas potentiella applikationer, Department of Energy's Office of Science stöder forskning för att utnyttja självmontering. Eftersom nanopartiklar av metaller eller halvledare inte självmonteras på samma sätt som levande system gör, forskare undersöker deras skillnader och likheter.

Spontan konstruktion

Några material, forskare hittade, monteras själv om du placerar dem tillsammans i en flytande lösning. De knäpps ihop som genom en magi. Men det är upp till forskarna att ta reda på vilka material och lösningar som ska blandas ihop för att ge de former och egenskaper de behöver.

Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) upptäckte en familj av syntetiska polymerer som bildar ihåliga nanorör när du lägger dem i vatten. Nanorör kan förbättra katalysatorer, transportera annan nanoteknik, och flytta antibiotika genom kroppen. Denna upptäckt kan också leda till att man gör nanostrukturer som utför det stora antalet funktioner som proteiner gör, men är starkare och hållbarare än proteiner.

"Jag är verkligen upphetsad över förmågan att göra proteinliknande material, sa Zuckermann.

Dessa nanorör har två stora fördelar jämfört med tidigare. Forskare kan manipulera dem för att ha en konsekvent längd och diameter. Detta är viktigt för att bygga större strukturer med mer praktiska tillämpningar. De ihåliga rören bildades också på ett sätt som gör att de är mindre benägna att kollapsa till en fast cylinder.

En liknande insats vid University of Michigan hittade en form av kadmiumsulfid, som används för att göra solpaneler, som självmonteras till skal i vatten som är måttligt grundläggande. Levande system använder nanoshells för viktiga funktioner, som att kontrollera placeringen av kemiska reaktioner. De syntetiska skalen, som är ungefär halva diametern på ett virus, kan användas vid genterapi. University of Michigan forskare modellerade skalen på DOE Office of Science National Energy Research Scientific Computing Center användaranläggning innan de skapade dem i labbet.

DNA och Tiny Diamonds:The Smallest Guides Imaginable

Tyvärr, spontan självmontering förlitar sig starkt på partiklarnas egenskaper. Använd olika partiklar, och självmontering kommer antingen att bilda olika strukturer eller inte alls inträffa.

Men forskare undersöker ett annat tillvägagångssätt som fungerar oavsett vilken typ av partikel de använder. Med denna metod, forskare fäster ett material som vill självmontera till ett annat nanomaterial som inte gör det. Materialen som vill montera sig själv fungerar som kardborreband som används för att hänga upp bilder. I vanliga fall, bilderna och väggen skulle inte hålla ihop. Men genom att applicera en kardborreband på var och en och trycka på dem, de låser sig på plats. Med denna metod, forskare kunde ansluta alla typer av nanopartiklar och göra det i vilken form de vill.

DNA är en av de mest lovande formerna av denna nano-kardborre. Forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN), en användaranläggning för DOE Office of Science vid Brookhaven National Laboratory, undersöker denna metod.

"Med hjälp av DNA, vi kan instruera partiklar om hur de ska ansluta till varandra, sa Oleg Gang, en CFN -forskare och professor vid Columbia University. När forskare fäster syntetiskt DNA till nanopartiklar, DNA -strängarna kopplas ihop på samma sätt som de gör i varje levande varelse, att ta med nanopartiklarna.

"Det är ett" smart "verktyg, "sa Fang Lu, en CFN -forskare. "Vi kan utforma vilken typ av bindning som är attraktiv, vilken typ av bindning är motbjudande. "

I en studie från 2015, forskare använde DNA:t för att ansluta olika typer av nanopartikelformer. Medan sfärer normalt bara skulle fästa på sfärer, genom att använda DNA tillät de också att ansluta till block.

Efter det, forskare gick vidare till att skapa 3D-ramar ur DNA:t. Denna studie tog det de hade lärt sig om att ansluta olika former till nästa nivå. Först, forskarna placerade en nanopartikel med några enkelsträngade DNA som hängde av det i varje hörn av en syntetisk DNA-ram. Dessa strängar kopplade ihop partiklarna, att föra samman partiklarna och ramarna för att bilda tredimensionella objekt. Genom att ansluta ramar som hade en mängd olika former - kuber, oktaedrar, och tetraeder-forskare kan bilda olika 3D-arkitekturer. Denna metod kan leda till att materialindustrin kan använda för att manipulera ljus, gör kemiska reaktioner snabbare, och påverkar biologiska processer.

Nu, forskare använder dessa ramar för att bygga anpassade 3D-nanoshape. Än så länge, de har kunnat designa sicksack, streckgubbar, och andra mönster. Genom att fästa en guldnanopartikel i mitten av varje ram, de skapade till och med en kristallstruktur liknande den som ses i diamanter. Forskare hoppas att genom att ändra konfigurationer och lägga till nya typer av partiklar, de kan locka fram ännu fler egenskaper.

Vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory, forskare använder små diamanter själva. De upptäckte hur man själv monterar "diamonoider" till de minsta nanotrådar som någonsin gjorts som fortfarande är tillräckligt stabila för att möta forskarnas behov. Till skillnad från mindre nanotrådar, forskare kan lagra diamonoida sådana i luften utan att de går sönder eller sprider dem i lösningsmedel utan att ändra deras struktur.

"Det riktigt chockerande var att vi fick detta vackra tre-atomiga tvärsnitt av nanotrådar, sa Nick Melosh, en SLAC -forskare. I jämförelse, de minsta kolnanotrådarna är 10 atomer breda.

För att göra dessa nanotrådar, forskarna fäste en svavelatom till diamantpartiklarna i molekylär skala. När de placerade denna kombination i en lösning med kopparjoner, svavlet spärrades fast på kopparen. Detta skapade den grundläggande byggstenen i nanotråd - en diamonoidbur som bär koppar- och svavelatomer. Diamonoiderna i de separata blocken drogs sedan ihop spontant, att dra de andra nanopartiklarna. Detta bildade nanotråden.

Nästa stora utmaning är att använda självmontering för att designa material som kan lösa specifika problem, som att fånga rätt typ av ljus för solceller, eller filtrera bort mikrober från vatten.

"[Jag vill] utveckla metoder för att skapa system som du har i din fantasi. Och det är väldigt, väldigt inspirerande, "sa Gang.