Från de gamla pyramiderna till moderna byggnader, olika tredimensionella (3-D) strukturer har bildats genom att packa formade föremål ihop. I makroskala, formen på objekt är fixerad och dikterar därmed hur de kan ordnas. Till exempel, tegel som fästs med murbruk behåller sin långsträckta rektangulära form. Men på nanoskala, objektens form kan ändras till viss del när de är belagda med organiska molekyler, såsom polymerer, ytaktiva ämnen (ytaktiva medel), och DNA. Dessa molekyler skapar i huvudsak ett "mjukt" skal runt annars "hårt", "eller stel, nano-objekt. När nanoobjekten packas ihop, deras ursprungliga form bevaras kanske inte helt eftersom skalet är flexibelt - ett slags nanoskala -skulptur.

Nu, ett team av forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Columbia Engineering har visat att kubformade nanopartiklar, eller nanokuber, belagda med enkelsträngade DNA-kedjor samlas i ett ovanligt "sicksack" -arrangemang som aldrig har observerats tidigare i nanoskala eller makroskala. Deras upptäckt rapporteras i online -numret av den 17 maj Vetenskapliga framsteg .

"Nanoskalaobjekt har nästan alltid något slags skal eftersom vi avsiktligt fäster polymerer till dem under syntesen för att förhindra aggregering, "förklarade medförfattaren Oleg Gang, ledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) —en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab — och professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia University. "I den här studien, vi undersökte hur man ändrar mjukhet och tjocklek hos DNA -skal (dvs. DNA -kedjornas längd) påverkar packningen av guldnanokubar. "

Gang och de andra teammedlemmarna - Fang Lu och Kevin Yager från CFN; Yugang Zhang från National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en annan DOE Office of Science User Facility på Brookhaven; och Sanat Kumar, Thi Vo, och Alex Frenkel från Columbia's Department of Chemical Engineering - upptäckte att nanokuber omgiven av tunna DNA -skal packas på ett liknande sätt som förväntat på makroskala, med kuberna ordnade i snygga lager orienterade direkt ovanför varandra. Men detta enkla kubikarrangemang viker för en mycket ovanlig typ av förpackning när tjockleken på skalen ökas (dvs. när skalet blir "mjukare").

"Varje nanokub har sex ansikten där den kan ansluta till andra kuber, "förklarade gänget." Kuber som har komplementärt DNA lockas till varandra, men kuber som har samma DNA stöter bort varandra. När DNA -skalet blir tillräckligt mjukt (tjockt), kuberna ordnas i det som ser ut som ett sicksackmönster, vilket maximerar attraktion och minimerar frånstötning medan den förblir packad så tätt som möjligt.

"Denna typ av förpackning har aldrig setts tidigare, och det bryter kubernas orienteringssymmetri i förhållande till vektorerna (riktningarna för x, y, och z -axlar i kristallen) i enhetscellen, "sa författaren Fang Lu, en forskare i Gangs grupp. "Till skillnad från alla tidigare observerade förpackningar med kuber, vinkeln mellan kuber och dessa tre axlar är inte densamma:två vinklar skiljer sig från den andra. "

En enhetscell är den minsta upprepande delen av ett kristallgitter, vilket är en rad punkter i 3D-utrymme där nanopartiklarna är placerade. Formade nanopartiklar kan orienteras olika i förhållande till varandra i enhetscellen, som vid deras ansikten, kanter, eller hörn. Sicksackförpackningen som forskarna observerade i denna studie är ett slags kompromiss i nanoskala där ingen av de relativa orienteringarna "vinner". Istället, kuberna hittar det bästa arrangemanget att samexistera i ett ordnat galler baserat på om de har samma eller komplementära DNA (dvs. stöta eller locka varandra i enlighet därmed).

I detta fall, två olika gittertyper kan förekomma:kroppscentrerad kubik (BCC) och kroppscentrerad tetragonal (BCT). Både BCC och BCT har liknande placeringar av partiklar i mitten och hörnen på kuberna, men BCC har enhetscellsidor av lika längd medan BCT inte har det.

För att visualisera kubernas form och deras förpackningsbeteende, forskarna använde en kombination av elektronmikroskopi vid CFN och småvinklad röntgenspridning (SAXS) vid den tidigare X9-strållinjen för NSLS och komplexa materialspridande strållinjen för NSLS-II. Elektronmikroskopistudierna kräver att materialen tas ur lösningen, men SAXS kan utföras in situ för att ge mer detaljerad och exakt strukturell information. I den här studien, spridningsdata var till hjälp för att avslöja symmetrierna, avstånd mellan partiklar, och orienteringar av partiklar i 3D-nanokubstrukturerna. Teoretiska beräkningar utförda av Kumar Group i Columbia bekräftade att sicksackarrangemanget är möjligt och rationaliserade varför denna typ av packning skedde baserat på DNA -skalens egenskaper.

Teamet är nu angelägna om att avgöra om mjuka nanoobjekt som inte är kuber eller har mer än en form också packas ihop på oväntade sätt.

"En förståelse av samspelet mellan formade nanoobjekt och mjuka skal gör att vi kan styra organisationen av objekt till specifika strukturer med önskad optisk, mekanisk, och andra fastigheter, sa Kumar.