Подход использует в своих интересах привлекательное соединение комплементарных нитей синтетической ДНК – на основе молекулы, которая несет генетический код в его последовательности подобранных оснований, известных буквами A, T, G, и C. После покрытия наночастицы с химически стандартизированной «строительной платформой» и добавляющими молекулами расширителя, с которыми ДНК может легко связать, ученые прилагают дополнительные разработанные лабораторией нити ДНК к двум различным видам наночастиц, которые они хотят соединить. Естественное соединение соответствующих берегов тогда «самособирает» частицы в трехмерное множество, состоящее из миллиардов частиц. Изменяя длину компоновщиков ДНК, их поверхностная плотность на частицах и другие факторы дают ученым способность управлять и оптимизировать различные типы недавно сформированных материалов и их свойств.
«Наше исследование демонстрирует, что управляемый ДНК методами собрания позволяют создание дизайном крупномасштабных наносоединений ‘сверхрешетки’ из широкого диапазона нанокомпонентов теперь доступно включающие магнитные, каталитические, и флуоресцентные наночастицы», заявила Брукхевенская Банда физика Олега, которая привела исследование в Центре Лаборатории Функциональных Наноматериалов (CFN). «Этот прогресс основывается на нашей предыдущей работе с более простыми системами, где мы продемонстрировали, что соединение наночастиц с различными функциями может затронуть работу отдельных частиц, и это предлагает маршруты для фальсификации новых материалов с объединенными, увеличенными, или даже совершенно новыми функциями».Будущие заявления могли включать квантовые точки, пылающей флюоресценцией которых может управлять внешнее магнитное поле для новых видов выключателей или датчиков; золотые наночастицы, которые синергетически увеличивают яркость флуоресцентного жара точек кванта; или каталитические наноматериалы, которые поглощают «яды», которые обычно ухудшают их работу, Банда, сказали.«Современные методы наносинтеза предоставляют ученым разнообразные типы наночастиц из широкого спектра атомных элементов», сказал Юган Чжан, первый автор статьи. «С нашим подходом ученые могут исследовать соединения этих частиц рациональным способом».
Разделение на пары отличающихся частиц представляет собой много проблем ученые, исследованные в работе, приводящей к данной статье. Чтобы понять фундаментальные аспекты различных недавно сформированных материалов, они использовали широкий спектр методов, включая исследования рассеивания рентгена в National Synchrotron Light Source (NSLS) Брукхевена и спектроскопии и электронной микрокопии в CFN.Например, ученые исследовали эффект формы частицы. «В принципе частицы различной формы не хотят сосуществовать в одной решетке», заявила Банда. «Они или имеют тенденцию распадаться на различные фазы как нефть и вода, отказывающаяся смешать или сформировать приведенные в беспорядок структуры». Ученые обнаружили, что ДНК не только помогает частицам смешаться, но и она может также улучшить заказ на такие системы, когда более толстая раковина ДНК вокруг частиц используется.
Они также занялись расследованиями, как соединяющий ДНК механизм и другие внутренние физические силы, такие как магнитная привлекательность среди частиц, могли бы конкурировать во время процесса собрания. Например, магнитные частицы имеют тенденцию наносить удар, чтобы сформировать совокупности, которые могут препятствовать закреплению ДНК от другого типа частицы. «Мы показываем, что более короткие нити ДНК более эффективные при конкуренции против магнитной привлекательности», заявила Банда.Для конкретного соединения золотых и магнитных наночастиц они создали, ученые обнаружили, что применение внешнего магнитного поля могло «переключить» фазу материала и затронуть заказ частиц. «Это было просто демонстрацией, что это может быть сделано, но у этого могло быть применение возможно магнитные выключатели или материалы, которые могли бы быть в состоянии изменить форму по требованию», сказал Чжан.Третий фундаментальный фактор, который исследовали ученые, был то, как частицы были заказаны во множествах сверхрешетки: один тип частицы всегда занимает то же самое положение относительно других подобных типу мальчиков и девочек, сидящих в чередовании мест в кинотеатре – или они вкраплены более беспорядочно? «Это – то, что мы называем композиционным заказом, который важен, например, для квантовых точек, потому что их оптические свойства – например, их способность пылать – зависят от того, сколько золотых наночастиц находится в окружающей окружающей среде», заявила Банда. «Если бы у Вас есть композиционный беспорядок, оптические свойства отличались бы».
В экспериментах, увеличивая толщину мягких раковин ДНК вокруг частиц увеличил композиционный беспорядок.Эти основные принципы дают ученым структуру для проектирования новых материалов. Особые условия, требуемые для конкретного применения, будут зависеть от используемых частиц, Чжан подчеркнул, но подход Генеральной Ассамблеи будет тем же самым.
Заявила Банда, «Мы можем изменить длины нитей ДНК, чтобы изменить расстояние между частицами приблизительно с 10 миллимикронов до менее чем 100 миллимикронов – который важен для заявлений, потому что многие оптические, магнитные, и другие свойства наночастиц зависят от расположения в этот масштаб. Мы взволнованы проспектами, которые это исследование открывает с точки зрения будущих направлений для технических новых классов материалов, которые эксплуатируют коллективные эффекты и мультифункциональность».
Это исследование финансировалось Офисом САМКИ Науки.