Kredit:Patrick Hage
Självmontering är den spontana organiseringen av byggstenar till strukturer eller mönster från ett oordnat tillstånd. Vardagliga exempel inkluderar frysning av vätskor eller kristallisering av salter. Dessa självmonteringsprocesser förekommer också i många biologiska system, såsom veckning av proteiner eller bildning av DNA-spiraler, och det finns ett ökat intresse för att studera dessa självmonteringsprocesser. Forskaren Patrick Hage skapade en ny klass av självmonterande mikropartiklar som reagerar på temperatur och ljus, vilket möjliggör exakt kontroll över deras sammansättning i strukturer.
Kolloidala partiklar, som varierar i storlek från några nanometer till några mikrometer, används ofta för att studera självmonteringsprocesser. På grund av sin ringa storlek har gravitationskrafter minimalt inflytande över deras rörelse. Som ett resultat tenderar dessa partiklar att röra sig slumpmässigt samtidigt som de interagerar med varandra.
"Trots sin lilla storlek kan dessa kolloidala partiklar avbildas med hjälp av konventionella mikroskopitekniker", konstaterar Patrick Hage, tidigare Ph.D. forskare och nu postdoc i gruppen Self-Organizing Soft Matter. "Att arrangera dessa material på denna längdskala kan resultera i material med nya mekaniska och optiska egenskaper. Ett naturligt exempel på en kolloidal "överbyggnad" med unika optiska egenskaper är en opal, som är sammansatt av kristaller av små kiseldioxidsfärer. Kontroll över överbyggnaderna kan leda till nya material för fotoniska kristaller, beläggningar och sensorer."
Vikten av kontroll
För att skapa lyhörda och omkonfigurerbara kolloidala material är det mycket viktigt att ha kontroll över interaktionerna mellan partiklar och förmågan att modulera dessa interaktioner med hjälp av externa uppmaningar.
Ett sätt att hjälpa till att modulera interaktionerna är via ytfunktionalisering, där små enkel-DNA-strängar fästs på partiklarnas yta. Precis som du skulle hitta i kärnan i en cell i människokroppen länkar dessa DNA-strängar till varandra för att bilda en DNA-spiral.
"Det är bildandet av dessa DNA-helixar som håller ihop partiklarna", säger Hage. "Partiklar med DNA på ytan kan moduleras med hjälp av temperatur som en trigger. Detta styr hur partiklarna interagerar med varandra och leder till komplicerade strukturer som kolloidala kristaller."
Flera utlösare
Målet för Hages Ph.D. forskning var att utveckla ett system som reagerar på flera triggers – ljus och temperatur i det här fallet. "Användning av flera triggers möjliggör kontroll över tillväxten av strukturer över både rum och tid."
Hage uppnådde detta genom att lägga till en ljuskänslig molekyl till DNA-strängarna som är ansvariga för kolloidal sammansättning. Detta resulterade i partikelinteraktioner som var känsliga för både ljus och temperatur samtidigt. Kombinationen av dessa partiklar med ett fluorescerande mikroskop, en värmekammare och en digital mikrospegelanordning möjliggjorde partikelvisualisering samtidigt som det gav exakt temperaturkontroll och möjligheten att applicera ljus med specifika mönster på provet.
"Jag skapade en uppsättning som möjliggör avbildning av bildandet av överbyggnader (t.ex. kristaller) vid specifika temperaturer, samtidigt som jag får förmågan att modifiera eller ta bort oönskade strukturer genom att applicera lokala ljusmönster", säger Hage. "I framtida processer kan denna dubbla kontroll användas för att göra självmonterade strukturer för en mängd olika applikationer som avancerade sensorer eller fotoniska kristaller för fotoniska enheter."
Hage kommer nu att fortsätta arbetet från sin doktorsexamen. som en del av en 4-månaders postdoc-tjänst i samma grupp. "Jag ser fram emot att arbeta vidare med att optimera systemet ytterligare och sedan överföra kunskapen till andra medlemmar i gruppen." + Utforska vidare
