I en artikel publicerad i Science 18 januari presenterar forskarna Chad Mirkin och Sharon Glotzer och deras team vid Northwestern University respektive University of Michigan rön inom nanoteknik som kan påverka hur avancerade material tillverkas.
Uppsatsen beskriver ett betydande steg framåt när det gäller att montera polyedriska nanopartiklar. Forskarna introducerar och demonstrerar kraften i en ny syntetisk strategi som utökar möjligheter inom metamaterialdesign. Dessa är de ovanliga materialen som ligger till grund för "osynlighetsmantel" och ultrahöghastighets optiska datorsystem.
"Vi manipulerar material i makroskala i vardagen med våra händer", säger Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences.
"Till och med förskolebarn kan lätt manipulera leksaksbyggstenar och passa ihop dem så att de fyller utrymmet. På nanoskala kan vi inte använda våra händer för att manipulera nanopartikelbyggstenar på grund av den enorma storleksskillnaden mellan våra händer och nanopartiklarna.
"Eftersom DNA och nanopartiklar har dimensioner på samma längdskala och vi kan kemiskt koda partiklar med DNA så att de kan designas för att känna igen komplementära partiklar, och därför blir DNA:t effektivt våra händer."
Dessa "händer" är designade för att känna igen partiklar med komplementära former och arrangera dem för att bilda rymdfyllande strukturer.
Konventionella metoder för att konstruera nanopartikelkristaller med hjälp av DNA som bindningselement har ännu inte lett till tredimensionella (3D) rymdfyllda plattsättningsarrangemang. För att uppnå dessa användbara rymdfyllda kristaller använde nordvästra forskare kortare och mer flexibla molekylära ligander än de som vanligtvis används. Specifikt använde de oligoetylenglykol-modifierat DNA.
Oligoetylenglykolenheterna fungerar som en typ av stötdämpare som justeras till lämplig längd för att säkerställa att formerna kan passa ihop på ett nästan perfekt sätt.
Hittills har detta nya byggmaterial lett till syntesen av 10 nya kolloidala kristaller som inte skulle vara möjliga att framställa på annat sätt och som har potential att användas för design och konstruktion av metamaterial med oöverträffade egenskaper.
Nanopartiklar är i sig ofullkomliga - även enskilda som produceras i samma syntetiska sats har lite olika storlekar och former - och den här funktionen kan begränsa deras förmåga att effektivt fylla utrymmet när de sätts ihop. Dessutom är DNA-strängarna som traditionellt används vid montering nästan lika långa eller längre än partiklarnas diameter och har därför maskerat några avgörande bidrag från partikelgeometrin vid bindning. Resultatet – partiklar med väldefinierade aspekter har visat sig bete sig som de som är mindre geometriskt komplexa.
Teamet övervann dessa två hinder genom att frikoppla bidragen från DNA-ligandskalet och nanopartikelformen. Faktum är att DNA-strängarna är väsentliga för monteringsprocessen - de är "limmet" som manipuleras för att hålla ihop partiklarna. Men forskarna använde DNA-strängar som var både mycket kortare och mer flexibla.
Det korta DNA:t gör att nanopartiklarnas formkomplementaritet både kan avslöjas och sedan reflekteras i den sammansatta produkten. Det flexibla DNA:t ger det vickutrymme som behövs för att rymma små brister i polyedriska nanopartiklars storlek och form.
Detta vickningsrum tillåter nanopartiklar med ofullkomliga former att skapa plattsättningar som de perfekta formerna. På detta sätt bildades högordnade sammansättningar via facett-mot-ansikte anpassning.
"Genom att frikoppla bidragen från DNA-ligandskalet och kärnformen har vi låst upp en ny gräns inom nanoteknik, vilket möjliggör skapandet av högordnade kolloidala kristaller med former och storlekar som tidigare ansågs omöjliga att göra. Detta genombrott utökar inte bara omfattningen av kolloidala kristaller men presenterar också en mångsidig verktygslåda för att designa metamaterial", säger tidigare Mirkin Group-studenten Wenjie Zhou, en av studiens huvudförfattare.
Anmärkningsvärt nog tillåter denna nya strategi två betydande designstrategier. För det första kan ofullkomliga polyedriska byggstenar eller de med helt olika former sättas ihop till högordnade rymdfyllande strukturer. För det andra ger flexibelt DNA ytterligare frihetsgrader vid sammansättningen av icke rymdfyllande polyedriska nanopartiklar, vilket leder till skapandet av komplexa kristaller med symmetrier som inte tidigare kunde uppnås med kolloidal kristallteknik med DNA.
Forskningen visar förmågan att konstruera stora, rymdfyllande kolloidala kristaller med enkla geometriska överväganden. De presenterade sammanställningarna representerar bara en bråkdel av denna revolutionära strategis enorma designutrymme. På grund av detta kommer det att vara viktigt att koppla ihop experiment och teori för att komma fram till användbara målstrukturer.
"Här bekräftades det experimentella arbetet genom simulering i silico, och vårt teoriarbete erbjöd nya insikter om vad som hände ex silico", säger Glotzer, Anthony C Lembkes avdelningsordförande för kemiteknik.
"Genom att använda en kombination av både forskningslägen och att arbeta tillsammans, lärde våra grupper sig mycket mer om systemet än vi någonsin skulle ha kunnat arbeta självständigt. Det är därför tvärvetenskapligt arbete representerar det absolut bästa inom vetenskap och ingenjörsvetenskap."
På många sätt var dessa resultat oväntade. Mirkin säger:"Det är långt ifrån uppenbart att man kan ta två mycket ofullkomliga system och designa DNA-bindande element som ger nästan perfekta rymdfyllda kristaller. Det är en fantastisk demonstration av användbarheten av naturens ritning för att koda ett materialresultat."
Mirkin och Glotzer är de motsvarande författarna till artikeln med titeln "Space-tiled colloidal crystals from DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing."
Mer information: Wenjie Zhou et al, rymdkaklade kolloidala kristaller från DNA-tvingad form-komplementär polyedrarparning, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj1021. www.science.org/doi/10.1126/science.adj1021
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Northwestern University
