Kiselalger är små, encelliga varelser, bebo hav, sjöar, floder, och jordar. Genom sin andning, de producerar nära en fjärdedel av syret på jorden, nästan lika mycket som världens tropiska skogar. Förutom deras ekologiska framgång över hela planeten, de har ett antal anmärkningsvärda egenskaper. Kiselalger lever i glasliknande hem av sin egen design, synlig under förstoring i ett häpnadsväckande och estetiskt vackert utbud av former.

Forskare har hittat inspiration i dessa mikroskopiska, juvelliknande naturprodukter sedan de upptäcktes i slutet av 1700-talet. I en ny studie, Arizona State University (ASU) forskare ledda av professor Hao Yan, i samarbete med forskare från Shanghai Institute of Applied Physics vid den kinesiska vetenskapsakademin och Shanghai Jiaotong University under ledning av professor Chunhai Fan, har designat en rad kiselalgerliknande nanostrukturer.

För att uppnå detta, de lånar tekniker som används av naturligt förekommande kiselalger för att deponera lager av kiseldioxid - den primära beståndsdelen i glas - för att växa sina invecklade skal. Genom att använda en teknik som kallas DNA-origami, gruppen designade plattformar i nanoskala av olika former till vilka partiklar av kiseldioxid, dras av elektrisk laddning, kunde hålla fast.

Den nya forskningen visar att kiseldioxidavsättning effektivt kan tillämpas på syntetiska, DNA-baserade arkitekturer, förbättrar deras elasticitet och hållbarhet. Arbetet kan i slutändan få långtgående tillämpningar i nya optiska system, halvledar nanolitografi, nanoelektronik, nanorobotik och medicinska tillämpningar, inklusive läkemedelstillförsel.

Yan är Milton D. Glicks framstående professor i kemi och biokemi och leder Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. Gruppens resultat rapporteras i tidskriftens avancerade online Natur .

Forskare som Yan och Fan skapar sofistikerade nanoarkitekturer i 2- och 3-dimensioner, använda DNA som byggmaterial. Metoden, känd som DNA-origami, förlitar sig på basparningsegenskaperna hos DNA:s fyra nukleotider, vars namn förkortas A, T, C och G.

Den stegliknande strukturen hos DNA-dubbelhelixen bildas när komplementära strängar av nukleotider binder till varandra - C-nukleotiderna paras alltid med Gs och As alltid paras med Ts. Detta förutsägbara beteende kan utnyttjas för att producera en praktiskt taget obegränsad mängd konstruerade former, som kan utformas i förväg. Nanostrukturerna monteras sedan själv i ett provrör.

I den nya studien, forskare ville se om arkitekturer designade med DNA, var och en mäter bara en miljarddels meter i diameter, skulle kunna användas som strukturella ramar på vilka kiselalgerliknande exoskelett bestående av kiseldioxid kunde växa på ett exakt och kontrollerbart sätt. Deras framgångsrika resultat visar kraften i detta hybridäktenskap av natur och nanoteknik, som författarna kallar DNA Origami Silicification (DOS).

"Här, vi visade att rätt kemi kan utvecklas för att producera DNA-kisel-hybridmaterial som troget replikerar den komplexa geometriska informationen från ett brett utbud av olika DNA-origamiställningar. Våra resultat etablerade en allmän metod för att skapa biomimetiska nanostrukturer av kiseldioxid, " sa Yan.

Bland de geometriska DNA-ramverken som designades och konstruerades i experimenten fanns 2D-korsningar, rutor, trianglar och DOS-kiselalger bikakeformer samt 3D-kuber, tetraeder, hemisfärer, toroid och ellipsoidformer, förekommer som enstaka enheter eller gitter.

När DNA-ramverken var färdiga, kluster av kiseldioxidpartiklar som bär en positiv laddning drogs elektrostatiskt till ytorna av de elektriskt negativa DNA-formerna, samlas under en period av flera dagar, som fin färg applicerad på ett äggskal. En serie transmissions- och svepelektronmikrofotografier gjordes av de resulterande DOS-formerna, avslöjar noggrann och effektiv kiselalgerliknande silicifiering.

Metoden visade sig effektiv för silicifiering av ramliknande, krökta och porösa nanostrukturer som sträcker sig i storlek från 10-1000 nanometer, (de största strukturerna är ungefär lika stora som bakterier). Exakt kontroll över kiseldioxidskalets tjocklek uppnås helt enkelt genom att reglera tillväxtens varaktighet.

Hybrid DOS-kiselalger nanostrukturer karakteriserades initialt med ett par kraftfulla verktyg som kan avslöja deras små former, Transmissionselektronmikroskopi (TEM) och Atomic Force Microscopy (AFM). De resulterande bilderna avslöjar mycket tydligare konturer för nanostrukturerna efter avsättningen av kiseldioxid.

Metoden för nanotillverkning är så exakt, forskare kunde producera trianglar, kvadrater och hexagoner med likformiga porer som mäter mindre än 10 nm i diameter – den i särklass minsta uppnådda hittills, med hjälp av DNA origami litografi. Ytterligare, tekniken som beskrivs i den nya studien utrustar forskare med mer exakt kontroll över konstruktionen av 3-D nanostrukturer i godtyckliga former som ofta är utmanande att producera med befintliga metoder.

En egenskap hos naturliga kiselalger av stort intresse för nanoingenjörer som Yan och Fan är den specifika styrkan hos deras kiseldioxidskal. Specifik hållfasthet avser ett material motstånd mot brott i förhållande till dess densitet. Forskare har funnit att kiseldioxidarkitekturen hos kiselalger inte bara är inspirerande elegant utan exceptionellt tuff. Verkligen, kiseldioxidens exoskelett som omsluter kiselalger har den högsta specifika styrkan av något biologiskt producerat material, inklusive ben, horn, och tänder.

I den aktuella studien, forskare använde AFM för att mäta motståndet mot brott av deras kiseldioxidförstärkta DNA-nanostrukturer. Liksom deras naturliga motsvarigheter, dessa former visade mycket större styrka och motståndskraft, uppvisar en 10-faldig ökning av krafterna de kunde motstå, jämfört med de osilikerade designerna, med bibehållen avsevärd flexibilitet.

Studien visar också att den ökade styvheten hos DOS nanostrukturer ökar med deras tillväxttid. Som författarna noterar, dessa resultat överensstämmer med de karakteristiska mekaniska egenskaperna hos biomineraler som produceras av naturen, kopplar imponerande hållbarhet med flexibilitet.

Ett sista experiment involverade designen av en ny 3-D tetraedrisk nanostruktur med hjälp av guld nanorods som stödjande stöttor för en DOS-tillverkad enhet. Denna nya struktur kunde troget behålla sin form jämfört med en liknande struktur som saknade kisel som deformerades och kollapsade.

Forskningen öppnar en väg för naturinspirerade innovationer inom nanoteknik där DNA-arkitekturer fungerar som mallar som kan beläggas med kiseldioxid eller kanske andra oorganiska material, inklusive kalciumfosfat, kalciumkarbonat, järnoxid eller andra metalloxider, ger unika egenskaper.

"We are interested in developing methods to create higher order hybrid nanostructures. For example, multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.

Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.