 Управление само-собирающимися наночастицами в суперструктуры является важным подходом для построения функциональных материалов. Команда из Брукхейвена использовала наноразмерные строительные блоки - кубики или октаэдры - украшенные тросами ДНК для координации монтажа сферических наночастиц, покрытых комплементарными нитями ДНК.
Принимая игру ребенка со строительными блоками на совершенно новый уровень нанометрового масштаба, ученые Брукхейвенской национальной лаборатории построили трехмерные «суперструктуры» многокомпонентных массивов наночастиц, где расположение частиц приводится в форме крошечных блоков. Новый метод использует молекулы, изготовленные из комплементарных нитей ДНК, чтобы преодолеть тенденцию блоков упаковывать вместе таким образом, отделяющим компоненты различной формы. Результаты, опубликованные в Nature Communications, являются важным шагом на пути к разработке предсказуемых композиционных материалов для применения в катализе, других энергетических технологиях, и медицине.
«Если мы хотим воспользоваться перспективными свойствами наночастиц, мы должны быть в состоянии надежно включить их в крупномасштабные композитные материалы для реальных приложений», объяснил Олег Ган, который возглавлял исследование.
«Наша работа описывает новый способ изготовить структурированные композиционные материалов с использованием направленной привязки фасонных частиц для предсказуемой сборки», сказал Фэнг Лу, ведущий автор публикации.
Исследование опирается на опыт команды, соединяющей наночастицы вместе с использованием нитей синтетической ДНК. Как молекулы, которые несут генетический код живых существ, эти синтетические пряди имеют дополнительные основания, известные по буквам генетического кода G, C, T и, которые связываются друг с другом только одним способом (G к С, Т к А ). Ган ранее использовал дополнительные тросы ДНК, присоединенные к наночастицам, чтобы направлять сборку в диапазон массивов и структур. Новая работа исследует форму частиц как средство контроля направленности этих взаимодействий для достижения большего порядка в крупных узлах и кластерах.
Ган объяснил, что сферические частицы как правило, связываются вместе, чтобы свести к минимуму свободный объем. ДНК-линкеры используют комплементарные цепей, чтобы привлечь частицы, или не-комплементарные цепей, чтобы удерживать частицы друг от друга, что может изменить упаковку в какой-то степени для достижения различных компоновок. Например, ученые экспериментировали с размещением дополнительных компоновщиков в стратегических местах на сферах, чтобы выстраивать и связывать частицы особым образом. Но не так легко сделать наносферы с точно размещенными линкерными нитями.
«Мы исследовали альтернативную идею: введение наноразмерных «блоков», украшенных тросами ДНК на каждой грани, чтобы контролировать направленное связывание сфер с дополнительными тросами ДНК», сказал Ган.
Когда ученые смешали нанокубы, покрытые тросам ДНК на всех шести сторонах наносфер примерно того же размера, которые были покрыты дополнительными тросами, эти две частицы различной формы не стали разделятся, как можно было бы ожидать на основе их нормального поведения. Вместо этого, ДНК «клей» предотвращает разделение путем предоставления силу притяжения между плоскими гранями блоков и тросов на сферах, а также силу отталкивания между не-спаривающимися тросами на тех же объектах в форме.
«ДНК позволяет нам применять правила: сферы притягивают кубы (взаимно); сферы не притягивают сферы и кубы не притягивают кубы», сказал Ган. «Это разрывает обычную тенденцию и позволяет системе самостоятельно собираться в переменный массив кубов и сфер, где каждый кубик окружен шестью сферами и каждая сфера окружена шестью кубиками». Использование октаэдрических блоков вместо кубов привело к достижению другого расположения, где одна сфера связывается с каждой из восьми треугольных граней в блоках.
Метод требует некоторой термической обработки для достижения наиболее равномерного дальнего порядка. И эксперименты с различными типами тросов ДНК показали, что использование гибких нитей ДНК имеет важное значение для спаривания частиц различной формы.
«Гибкие оболочки ДНК «смягчают» частицы, что позволяет им вписаться в механизмы, где формы не совпадают геометрически», сказал Лу. «Но чрезмерные результаты мягкости приводят к ненужной свободе частиц, что может разрушить идеальную решетку. Поиск идеальной гибкости для тросов был неотъемлемой частью работы».
Ученые использовали передачу и сканирующую электронную микроскопию на CFN, а также провели эксперименты рентгеновского рассеяния, чтобы выявить структуру и получить изображения собранных кластеров и решеток на различных длинах шкалы. Они также объяснили экспериментальные результаты с моделями на основе оценки наноразмерных взаимодействий между крошечными строительными блоками.
«В конечном счете, эта работа показывает, что крупные бинарные решетки могут быть сформированы в предсказуемом образе, используя этот подход». сказал Ган. «Учитывая, что наш подход не зависит от материала конкретной частицы и большего разнообразия форм частиц, у нас есть потенциал, чтобы создать много различных типов новых наноматериалов».
|
