Подход использует привлекательное сочетание комплементарных цепей синтетической ДНК на основе молекулы, несущей генетический код в последовательности совпадающих оснований, известной буквами A, T, G и C. Стандартизированная «строительная платформа» и добавление молекул-удлинителей, с которыми ДНК может легко связываться, ученые прикрепляют дополнительные цепи ДНК, разработанные в лаборатории, к двум различным типам наночастиц, которые они хотят связать. Затем естественное спаривание совпадающих нитей "самоорганизует" частицы в трехмерный массив, состоящий из миллиардов частиц. Изменение длины линкеров ДНК, их поверхностной плотности на частицах и других факторов дает ученым возможность контролировать и оптимизировать различные типы вновь образованных материалов и их свойства.
«Наше исследование демонстрирует, что методы сборки, основанные на ДНК, позволяют создавать крупномасштабные нанокомпозиты« сверхрешетки »из широкого спектра доступных в настоящее время нанокомпонентов, включая магнитные, каталитические и флуоресцентные наночастицы», — сказал физик из Брукхейвена Олег Ганг, который руководил исследованиями в Лаборатории центра функциональных наноматериалов (CFN). «Этот прогресс основан на нашей предыдущей работе с более простыми системами, где мы продемонстрировали, что объединение наночастиц с различными функциями может повлиять на характеристики отдельных частиц, и предлагает пути для производства новых материалов с комбинированными, улучшенными или даже совершенно новыми функциями. "Будущие приложения могут включать квантовые точки, светящейся флуоресценцией которых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля для новых типов переключателей или датчиков; наночастицы золота, которые синергетически увеличивают яркость флуоресцентного свечения квантовых точек; или каталитические наноматериалы, которые поглощают «яды», которые обычно ухудшают их характеристики, сказал Ганг.«Современные методы наносинтеза предоставляют ученым различные типы наночастиц из широкого спектра атомных элементов», — сказал Юган Чжан, первый автор статьи. «С нашим подходом ученые могут рационально исследовать пары этих частиц».
Объединение разнородных частиц в пары представляет множество проблем, которые ученые исследовали в работе, ведущей к этой статье. Чтобы понять фундаментальные аспекты различных вновь образованных материалов, они использовали широкий спектр методов, включая исследования рассеяния рентгеновских лучей в Национальном источнике синхротронного света (NSLS) в Брукхейвене, а также спектроскопию и электронную микроскопию в CFN.Например, ученые исследовали влияние формы частиц. «В принципе, частицы разной формы не хотят сосуществовать в одной решетке», — сказал Ганг. «Они либо имеют тенденцию разделяться на разные фазы, такие как масло и вода, отказываясь смешиваться, либо образуют неупорядоченные структуры».
Ученые обнаружили, что ДНК не только помогает частицам смешиваться, но также может улучшить порядок в таких системах, если вокруг частиц используется более толстая оболочка ДНК.Они также исследовали, как механизм спаривания ДНК и другие внутренние физические силы, такие как магнитное притяжение между частицами, могут конкурировать в процессе сборки. Например, магнитные частицы имеют тенденцию слипаться с образованием агрегатов, которые могут препятствовать связыванию ДНК с другим типом частиц. «Мы показываем, что более короткие нити ДНК более эффективны в борьбе с магнитным притяжением», — сказал Ганг.Для конкретного композита из золота и магнитных наночастиц, который они создали, ученые обнаружили, что приложение внешнего магнитного поля может «переключать» фазу материала и влиять на упорядочение частиц. «Это была просто демонстрация того, что это возможно, но у этого может быть приложение — например, магнитные переключатели или материалы, которые могут изменять форму по запросу», — сказал Чжан.
Третий фундаментальный фактор, который исследовали ученые, заключался в том, как частицы были упорядочены в массивах сверхрешеток: всегда ли один тип частиц занимает одно и то же положение относительно другого типа, например, мальчики и девочки, сидящие на чередующихся местах в кинотеатре, или они разбросаны более случайным образом? «Это то, что мы называем порядком состава, который важен, например, для квантовых точек, потому что их оптические свойства, например, их способность светиться, зависят от того, сколько наночастиц золота находится в окружающей среде», — сказал Ганг. «Если у вас композиционный беспорядок, оптические свойства будут другими». В экспериментах увеличение толщины мягких оболочек ДНК вокруг частиц увеличивало композиционный беспорядок.
Эти фундаментальные принципы дают ученым основу для разработки новых материалов. Конкретные условия, необходимые для конкретного применения, будут зависеть от используемых частиц, подчеркнул Чжан, но общий подход к сборке будет таким же.
Сказал Банда: «Мы можем изменять длину нитей ДНК, чтобы изменять расстояние между частицами примерно от 10 нанометров до менее 100 нанометров, что важно для приложений, потому что многие оптические, магнитные и другие свойства наночастиц зависят от их расположения. Мы воодушевлены возможностями, открываемыми этим исследованием с точки зрения будущих направлений разработки новых классов материалов, использующих коллективные эффекты и многофункциональность ".
Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.