Programmierung fortgeschrittener Materialien

1996 verwendeten Wissenschaftler von IBM und der Northwestern University einzelsträngige DNA wie einen molekularen Klettverschluss, um die Selbstorganisation von Nanopartikeln zu einfachen Strukturen zu programmieren. Die Arbeit trug dazu bei, das damals im Entstehen begriffene Gebiet der Nanotechnologie in Gang zu bringen, indem sie die Möglichkeit vorschlug, neuartige Materialien von Grund auf aufzubauen. Zwölf Jahre später berichten Forscher des Northwestern und des Brookhaven National Laboratory separat in der Zeitschrift Natur dass sie dieses Versprechen endlich eingelöst haben, indem sie mithilfe von DNA-Linkern Nanopartikel in perfekte Kristalle mit bis zu einer Million Partikeln verwandeln.



Bestellte Nano-Bestellung: DNA-Sequenzen, die an Goldnanopartikel gebunden sind (oberes Bild) programmieren die Selbstorganisation der Partikel zu neuartigen Kristallen (unteres Bild). Röntgenbeugung bestätigt, dass die Kristalle – die teilweise durch die Elektronenmikroskopie, die diese Bilder erzeugte, zerquetscht wurden – perfekte Gitter aus Zehntausenden von Partikeln sind.

Die Kristallstrukturen sind bewusst gestaltet, sagt Northwestern Tschad Mirkin , einer der Materialwissenschaftler, der in den 1990er Jahren Pionierarbeit bei der DNA-Verknüpfung geleistet hat, und Mitautor eines der heutigen Berichte. Dies ist eine neue Art, Dinge zu machen.





Der Physiker der Ohio State University, David Stroud nennt die Arbeit recht wertvoll. Er prognostiziert, dass der Durchbruch den Aufbau neuer Materialien mit neuartigen optischen, elektronischen oder magnetischen Eigenschaften ermöglichen wird, die bisher nur in den Köpfen und Modellen von Materialwissenschaftlern existierten. Ich bin selbst jetzt überrascht, dass sie es schaffen konnten, sagt Stroud.

Bisher haben Bemühungen zur programmierten Selbstorganisation von Nanopartikeln in drei Dimensionen meist ungeordnete Klumpen erzeugt. Diese Klumpen können einen Wert haben; Tatsächlich hat Mirkins Startup-Unternehmen NanoSphere die Technologie genutzt, um medizinische Diagnostika zu entwickeln, die von der Food and Drug Administration zugelassen wurden.

Aber komplexere und exotischere Materialien, die sich Stroud und andere vorstellen, erfordern geordnete Strukturen. Der Haken an der Sache, sagt Stroud, ist, dass Nanopartikel im Vergleich zu den Atomen, die die meisten Kristalle bilden, immens sind. Dadurch bewegen sich die Nanopartikel relativ langsam, insbesondere mit angelagerten DNA-Strängen. Wenn sie abgekühlt werden, damit sich die komplementären DNA-Stränge verbinden können, neigen die Nanopartikel dazu, in einer ungeordneten Anordnung eingefroren zu werden, bevor sie ihren Weg in das geordnete Gitter eines Kristalls finden können.

würden wir füreinander Ärger bekommen?

Die Autoren der neuen Berichte – ein Team von Northwestern unter der Leitung von Mirkin und dem Chemiker George Schatz sowie das Team des Physikers Oleg Gang in Zentrum für funktionelle Materialien des Brookhaven National Laboratory , in Upton, NY – überwand die Trägheit der Partikel, indem längere DNA-Stränge verwendet wurden, die den Partikeln mehr Flexibilität bei der Kristallbildung verleihen. Normalerweise denken wir, dass Kristallinität sehr starre Strukturen erfordert, daher könnte man sich vorstellen, dass eine sehr starre DNA-Hülle auf den Partikeln erforderlich ist, um gute Kristalle zu erhalten, sagt Gang. In Wirklichkeit ist es das Gegenteil.

Während sich die Details der Systeme von Northwestern und Brookhaven unterscheiden, polstern beide ihre DNA-Stränge mit Sequenzen auf, die als Spacer und Flexoren fungieren, zusätzlich zu komplementären Sequenzen an den DNA-Enden, die Partikel miteinander verbinden. Die Gruppen beginnen mit der Bindung einer von zwei Arten von DNA an Gold-Nanopartikel. Die DNA-Typen sind zueinander komplementär. Diese beiden Pools modifizierter Partikel werden dann gemischt und gekühlt. DNA-Stränge mit komplementärer DNA bilden eine Doppelhelix, die ihre jeweiligen Nanopartikel miteinander verbindet, während identische DNA-Stränge wie Federn ihre jeweiligen Partikel abstoßen. Die Abstandshalter an jedem DNA-Strang ermöglichen es den gebundenen Partikeln, sich zu verdrehen und zu biegen, sodass jedes Partikel in der Mischung die größte Anzahl komplementärer Partikel binden kann.

Das Ergebnis ist genau das, was die Theorie vorhersagt: ein Kristallgitter, in dem jedes Teilchen eines Typs von acht anderen umgeben ist, die die Ecken eines Würfels markieren. Die Gruppe von Mirkin zeigte weiter, dass eine Anpassung der Temperatur und der DNA-Sequenzen dieselbe Partikelmischung anstoßen könnte, um eine unterschiedliche Kristallstruktur zu bilden, in der jedes Partikel 12 Nachbarn hat.

Mirkin sagt, dass er und sein Team gerade erst anfangen. Für mich ist es eigentlich nur der Anfang und nicht das Ende, sagt er. In den letzten drei Jahren hat Mirkins Gruppe Methoden demonstriert, um verschiedene DNA-Linker auf verschiedenen Flächen nichtsphärischer Partikel zu platzieren, wie etwa dreieckige Prismen und Viruspartikel. Dies sollte die Programmierung komplexerer Materialien mit sich wiederholenden Mustern aus drei oder mehr Komponenten ermöglichen. Die wirklich faszinierende Möglichkeit hier ist die Möglichkeit, die Bildung von beliebig Struktur, die Sie wollen, sagt Mirkin.

Stroud sagt, dass die bereits hergestellten Strukturen nützlich sein werden, da die DNA-programmierte Anordnung auf andere Partikel als Gold ausgedehnt wird. Zu den Anwendungen könnten photonische Kristalle gehören, bei denen die genaue Periodizität von Partikeln das Gesamtmaterial so einstellen kann, dass bestimmte Wellenlängen des Lichts manipuliert werden, und Photovoltaik, die einen breiteren Bereich des Sonnenspektrums erfasst.

Die Strukturen sind hochporös – 10 Prozent Partikel und DNA und 90 Prozent Wasser. Dies könnte Anwendungen behindern, bei denen Wasser unerwünscht ist. Lassen Sie das Wasser ab und die Kristalle fallen zusammen. Gang sagt, dass man die Kristalle stabilisieren könnte, indem man das Gitter mit einem Polymer füllt, aber er erforscht auch alternative Stabilisierungsschemata, die den offenen Raum des Gitters erhalten würden.

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