Ett team av forskare från Mirkin Group vid Northwestern Universitys International Institute for Nanotechnology i samarbete med University of Michigan och Center for Cooperative Research in Biomaterials-CIC biomaGUNE, avslöjar en ny metodik för att konstruera kolloidala kvasikristaller med hjälp av DNA-modifierade byggstenar. Deras studie är publicerad i tidskriften Nature Materials under titeln "Kolloidala kvasikristaller framställda med DNA."
Karaktäriserad av ordnade men icke-repeterande mönster, har kvasikristaller länge förbryllat forskare. "Förekomsten av kvasikristaller har varit ett pussel i decennier och deras upptäckt belönades på lämpligt sätt med ett Nobelpris", säger Chad Mirkin, studiens ledande forskare.
"Även om det nu finns flera kända exempel, upptäckta i naturen eller genom serendipitala vägar, avmystifierar vår forskning deras bildning och ännu viktigare visar hur vi kan utnyttja den programmerbara naturen hos DNA för att designa och sätta ihop kvasikristaller medvetet."
Tyngdpunkten för studien var sammansättningen av dekaedriska nanopartiklar (NP) - partiklar med 10 sidor - med hjälp av DNA som en vägledande ställning. Genom en kombination av datorsimuleringar och noggranna experiment grävde teamet fram en anmärkningsvärd upptäckt:dessa dekaedriska NP:er kan orkestreras för att bilda kvasikristallina strukturer med spännande fem- och sexkoordinerade motiv, vilket slutligen kulminerar i skapandet av en tolvkantig kvasikristall (DDQC).
"Dekaedriska nanopartiklar har en distinkt femfaldig symmetri som utmanar de konventionella periodiska plattsättningsnormerna," sa Mirkin. "Genom att utnyttja de programmerbara funktionerna hos DNA kunde vi styra sammansättningen av dessa nanopartiklar till en robust kvasikristallin struktur."
Forskarna funktionaliserade dekaedriska guldnanopartiklar med kort, dubbelsträngat DNA och implementerade en exakt kontrollerad kylningsprocess för att underlätta monteringen. De resulterande kvasikristallina supergittren uppvisade kvasiperiodisk ordning med medelintervall, med rigorösa strukturella analyser som bekräftar närvaron av tolvfaldig symmetri och ett distinkt triangel-kvadratisk kakelmönster, kännetecken för en DDQC.
"Intressant nog upptäckte simuleringarna att, till skillnad från de flesta axiella kvasikristaller, upprepas inte plattsättningsmönstret för lagren i dekaederns kvasikristaller identiskt från ett lager till nästa. Istället är en betydande andel av plattorna olika, på ett slumpmässigt sätt. Denna slumpmässighet producerar en störning som hjälper till att stabilisera kristallen, säger Sharon Glotzer, medförfattare till studien och ordförande för avdelningen för kemiteknik vid University of Michigan.
Konsekvenserna av detta genombrott är långtgående och erbjuder en potentiell plan för kontrollerad syntes av andra komplexa strukturer som tidigare ansetts utom räckhåll. När det vetenskapliga samfundet fördjupar sig i de gränslösa utsikterna för programmerbar materia, banar denna forskning väg för transformativa framsteg och tillämpningar inom olika vetenskapliga domäner.
"Genom den framgångsrika konstruktionen av kolloidala kvasikristaller har vi uppnått en betydande milstolpe inom nanovetenskapens område. Vårt arbete belyser inte bara designen och skapandet av invecklade strukturer i nanoskala utan öppnar också en värld av möjligheter för avancerade material och innovativa nanoteknologiapplikationer ," sa Luis Liz-Marzán, en senior medförfattare till studien från CIC biomaGUNE.
Mer information: Kolloidala kvasikristaller konstruerade med DNA, naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01706-x
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av Northwestern University
