Det är inte en elektron. Men det fungerar säkert som en.

Forskare från Northwestern University har gjort en märklig och häpnadsväckande upptäckt att nanopartiklar konstruerade med DNA i kolloidala kristaller - när de är extremt små - beter sig precis som elektroner. Detta fynd har inte bara förbättrat strömmen, accepterad uppfattning om materia, det öppnar också dörren för nya möjligheter inom materialdesign.

"Vi har aldrig sett något liknande förut, " sa Northwesterns Monica Olvera de la Cruz, som gjorde den första observationen genom beräkningsarbete. "I våra simuleringar, partiklarna ser precis ut som kretsande elektroner."

Med denna upptäckt, forskarna introducerade en ny term som heter "metallicitet, " som hänvisar till elektronernas rörlighet i en metall. I kolloidala kristaller, små nanopartiklar strövar omkring på samma sätt som elektroner och fungerar som ett lim som håller ihop materialet.

"Det här kommer att få människor att tänka på materia på ett nytt sätt, " sa Northwesterns Chad Mirkin, som ledde experimentarbetet. "Det kommer att leda till alla möjliga material som har potentiellt spektakulära egenskaper som aldrig har observerats tidigare. Egenskaper som kan leda till en mängd nya teknologier inom optikområdet, elektronik och till och med katalys."

Tidningen kommer ut på fredag, 21 juni i journalen Vetenskap .

Olvera de la Cruz är advokat Taylor professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Mirkin är George B. Rathmann professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.

Mirkins grupp uppfann tidigare kemin för att konstruera kolloidala kristaller med DNA, vilket har skapat nya möjligheter för materialdesign. I dessa strukturer, DNA-strängar fungerar som ett slags smart lim för att länka samman nanopartiklar i ett gittermönster.

"Under de senaste två decennierna, vi har kommit på hur man gör alla möjliga kristallina strukturer där DNA effektivt tar partiklarna och placerar dem exakt där de ska gå i ett galler, sa Mirkin, grundare av International Institute of Nanotechnology.

I dessa tidigare studier, partiklarnas diametrar är på tiotals nanometers längdskalan. Partiklar i dessa strukturer är statiska, fixeras på plats av DNA. I den aktuella studien, dock, Mirkin och Olvera de la Cruz krympte partiklarna ner till 1,4 nanometer i diameter i beräkningssimuleringar. Det var här magin hände.

"De större partiklarna har hundratals DNA-strängar som länkar ihop dem, " sa Olvera de la Cruz. "De små har bara fyra till åtta länkar. När dessa länkar går sönder, partiklarna rullar och vandrar genom gallret och håller ihop kristallen av större partiklar."

När Mirkins team utförde experimenten för att avbilda de små partiklarna, de fann att Olvera de la Cruz teams beräkningsobservationer visade sig vara sanna. Eftersom detta beteende påminner om hur elektroner beter sig i metaller, forskarna kallar det "metallicitet".

"Ett hav av elektroner vandrar genom metaller, fungerar som ett lim, håller ihop allt, " förklarade Mirkin. "Det är vad dessa nanopartiklar blir. De små partiklarna blir det mobila limmet som håller ihop allt."

Olvera de la Cruz och Mirkin planerar nästa att utforska hur man kan utnyttja dessa elektronliknande partiklar för att designa nya material med användbara egenskaper. Även om deras forskning använde guldnanopartiklar, Olvera de la Cruz sa att "metallicitet" gäller andra klasser av partiklar i kolloidala kristaller.

"I vetenskap, det är verkligen sällan man upptäcker en ny fastighet, men det är vad som hände här, ", sa Mirkin. "Det utmanar hela sättet att tänka på byggmaterial. Det är ett grundläggande arbete som kommer att ha en bestående effekt."