Northwestern University forskare har utvecklat en första teknik i sitt slag för att skapa helt nya klasser av optiska material och enheter som kan leda till ljusböjnings- och tillslagsanordningar-nyheter för att få öronen på Star Trek's Spock att pigga upp.

Använda DNA som ett viktigt verktyg, det tvärvetenskapliga teamet tog guldnanopartiklar av olika storlekar och former och arrangerade dem i två och tre dimensioner för att bilda optiskt aktiva superlatt. Strukturer med specifika konfigurationer kan programmeras genom val av partikeltyp och både DNA-mönster och sekvens för att uppvisa nästan vilken färg som helst över det synliga spektrumet, forskarna rapporterar.

"Arkitektur är allt när man designar nya material, och vi har nu ett nytt sätt att exakt styra partikelarkitekturer över stora områden, "sade Tchad A. Mirkin, George B. Rathmann, professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences i Northwestern. "Kemister och fysiker kommer att kunna bygga ett nästan oändligt antal nya strukturer med alla möjliga intressanta egenskaper. Dessa strukturer kan inte göras med någon känd teknik."

Tekniken kombinerar en gammal tillverkningsmetod-litografi uppifrån och ner, samma metod som används för att göra datorchips-med en ny-programmerbar självmontering som drivs av DNA. Northwestern -teamet är det första som kombinerar de två för att uppnå individuell partikelkontroll i tre dimensioner.

Studien publicerades online av tidskriften Vetenskap idag (18 januari). Mirkin och Vinayak P. Dravid och Koray Aydin, båda professorerna i Northwestern McCormick School of Engineering, är motsvarande författare.

Forskare kommer att kunna använda den kraftfulla och flexibla tekniken för att bygga metamaterial - material som inte finns i naturen - för en rad applikationer, inklusive sensorer för medicinsk och miljömässig användning.

Forskarna använde en kombination av numeriska simuleringar och optiska spektroskopitekniker för att identifiera speciella nanopartikelsuperlatt som absorberar specifika våglängder av synligt ljus. De DNA-modifierade nanopartiklarna-guld i detta fall-är placerade på en förmönstrad mall gjord av komplementärt DNA. Staplar av strukturer kan göras genom att införa en andra och sedan en tredje DNA-modifierad partikel med DNA som är komplementär till de efterföljande skikten.

Förutom att vara ovanliga arkitekturer, dessa material är stimuli-mottagliga:DNA-strängarna som håller ihop dem förändras i längd när de utsätts för nya miljöer, såsom lösningar av etanol som varierar i koncentration. Förändringen i DNA -längd, fann forskarna, resulterade i en färgförändring från svart till rött till grönt, vilket ger extremt finjustering av optiska egenskaper.

"Att justera de optiska egenskaperna hos metamaterial är en betydande utmaning, och vår studie uppnår ett av de högsta avstämningsområden som hittills uppnåtts i optiska metamaterial, "sa Aydin, biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap vid McCormick.

"Vår nya metamaterialplattform - möjliggjord av exakt och extrem kontroll av guldnanopartikelform, storlek och avstånd-har betydande löfte för nästa generations optiska metamaterial och metasytor, "Sa Aydin.

Studien beskriver ett nytt sätt att organisera nanopartiklar i två och tre dimensioner. Forskarna använde litografimetoder för att borra små hål - bara en nanopartikel bred - i en polymerresist, skapa "landningsplattor" för nanopartikelkomponenter modifierade med DNA -strängar. Landningsplattorna är viktiga, Mirkin sa, eftersom de håller strukturerna som odlas vertikalt.

De nanoskopiska landningsplattorna modifieras med en sekvens av DNA, och guldnanopartiklarna modifieras med komplementärt DNA. Genom att alternera nanopartiklar med komplementärt DNA, forskarna byggde nanopartikelstackar med enorm positionskontroll och över ett stort område. Partiklarna kan ha olika storlekar och former (sfärer, kuber och skivor, till exempel).

"Detta tillvägagångssätt kan användas för att bygga periodiska galler från optiskt aktiva partiklar, som guld, silver och annat material som kan modifieras med DNA, med extraordinär nanoskala precision, sa Mirkin, chef för Northwestern International Institute for Nanotechnology.

Mirkin är också professor i medicin vid Northwestern University Feinberg School of Medicine och professor i kemisk och biologisk teknik, biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik i McCormick School.

Framgången för den rapporterade DNA-programmerbara sammansättningen krävde expertis med hybridmaterial (mjukt hårda) och utsökt nanopattering och litografisk kapacitet för att uppnå den nödvändiga rumsliga upplösningen, definition och trohet över stora underlagsområden. Projektgruppen vände sig till Dravid, en mångårig samarbetspartner av Mirkin's som specialiserat sig på nanopatterning, avancerad mikroskopi och karakterisering av mjuk, hårda och hybridnanostrukturer.

Dravid bidrog med sin expertis och hjälpte till med att utforma nanopattering- och litografistrategin och tillhörande karakterisering av de nya exotiska strukturerna. Han är Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik i McCormick och grundande chef för NUANCE -centret, som rymmer det avancerade mönstret, litografi och karakterisering som används i de DNA-programmerade strukturerna.