Вчені створюють квазікристал наночастинок за допомогою ДНК

Наноінженери створили квазікристал — науково інтригуючу та технологічно багатообіцяючу структуру матеріалу — з наночастинок за допомогою ДНК, молекули, яка кодує життя.  Команда, очолювана дослідниками з Північно-Західного університету, Мічиганського університету та Центру спільних досліджень біоматеріалів у Сан-Себастьяні, Іспанія, повідомляє про результати в  Nature Materials.

Унікальна природа квазікристалів

На відміну від звичайних кристалів, які визначаються структурою, що повторюється, візерунки в квазікристалах не повторюються. Квазікристали, побудовані з атомів, можуть мати виняткові властивості, наприклад, по-різному поглинати тепло і світло, проявляти незвичайні електронні властивості, наприклад проводити електрику без опору, або їх поверхні дуже тверді або дуже слизькі.

Інженери, які вивчають збірку нанорозмірів, часто розглядають наночастинки як свого роду «дизайнерський атом », який забезпечує новий рівень контролю над синтетичними матеріалами. Одна з проблем полягає в тому, щоб скерувати частинки для збирання в бажані структури з корисними якостями, і, будуючи цей перший квазікристал, зібраний з ДНК, команда вийшла на новий рубіж у дизайні наноматеріалів.

Піонерська збірка ДНК у наноматеріалах

«Існування квазікристалів було загадкою протягом десятиліть, і їх відкриття відповідним чином було нагороджено Нобелівською премією», — сказав Чад Міркін, професор хімії імені Джорджа Б. Ратмана в Північно-Західному університеті та співавтор дослідження. «Хоч зараз є кілька відомих прикладів, відкритих у природі або випадковими шляхами, наше дослідження демістифікує їх утворення і, що більш важливо, показує, як ми можемо використовувати програмовану природу ДНК для проектування та навмисного збирання квазікристалів».

ДНК: інструмент для розробки наночастинок

Група Міркіна відома тим, що використовує ДНК як дизайнерський клей для створення колоїдних кристалів із наночастинок, а група Луїса Ліз-Марцана, професора з Ікербаску в Іспанському центрі спільних досліджень біоматеріалів, може виробляти наночастинки, які можуть утворюватися. квазікристалів за правильних умов.

Команда зосередилася на біпірамідальних формах — по суті, дві піраміди, зчеплені своїми основами. Група Ліз-Марцан спробувала різну кількість сторін, а також стиснення та розтягування форм. Веньцзе Чжоу та Хайсінь Лінь, докторанти хімії в Північно-Західному університеті під час роботи, використовували ланцюги ДНК, закодовані для розпізнавання один одного, щоб запрограмувати частинки для збирання у квазікристал.

Незалежно від цього група Шерон Глотцер, кафедри хімічної інженерії Ентоні К. Лембке в Університеті університету, моделювала біпіраміди з різною кількістю сторін. Єйн Лім і Сангмін Лі, докторанти хімічної інженерії в Університеті університету, виявили, що декаедри — 10-гранні п’ятикутні біпіраміди — утворять квазікристал за певних умов і з правильними відносними розмірами.

У 2009 році команда Глотцера передбачила перший багатошаровий квазікристал наночастинок, не з біпірамід, а з тетраедрів — одиночних пірамід із чотирма трикутними сторонами, як матриця D4. Оскільки з п’яти тетраедрів майже можна створити декаедр, вона каже, що декаедр був розумним вибором для створення квазікристала.

«У нашому оригінальному моделюванні квазікристалів тетраедри організовані в декаедри з дуже маленькими проміжками між тетраедрами. Тут ці прогалини будуть заповнені ДНК, тому мало сенс, що декаедри також можуть утворювати квазікристали», — сказав Глотцер, співавтор дослідження.

Теоретична та експериментальна синергія

Завдяки поєднанню теорії та експерименту три дослідницькі групи перетворили частинки декаедра в квазікристал, що було підтверджено електронним мікроскопом у Північно-Західній лабораторії та рентгенівським розсіюванням, виконаним у Аргоннській національній лабораторії.

«Завдяки успішному розробці колоїдних квазікристалів ми досягли важливої ​​віхи в царині нанонауки», — сказала Ліз-Марзан, співавтор дослідження. «Наша робота не тільки проливає світло на проектування та створення складних нанорозмірних структур, але й відкриває світ можливостей для передових матеріалів та інноваційних застосувань у нанотехнологіях».

Структура нагадує масив розеток у концентричних колах, 10-гранні форми створюють 12-кратну симетрію у 2D-шарах, які періодично складаються. Ця складена структура, яку також можна побачити з квазікристалами, виготовленими з тетраедрів, називається осьовим квазікристалом. Але на відміну від більшості аксіальних квазікристалів, мозаїчний малюнок шарів нового квазікристала не повторюється ідентично від одного шару до іншого. Натомість значний відсоток плиток випадковим чином відрізняється, і цей невеликий розлад додає стабільності.