«Монокристаллы — это основа многих вещей, на которые мы полагаемся — алмазов для красоты, а также для промышленных применений, сапфиров для лазеров и кремния для электроники», — сказал ученый в области нанотехнологий Чад А. Миркин. «Точное расположение атомов внутри четко определенной решетки определяет эти высококачественные кристаллы.«Теперь мы можем сделать то же самое с наноматериалами и ДНК, планом жизни», — сказал Миркин. «Наш метод может привести к новым технологиям и даже открыть новые отрасли промышленности, так же как способность выращивать кремний в идеальных кристаллических структурах сделала возможной многомиллиардную полупроводниковую промышленность».Его исследовательская группа разработала «рецепт» использования наноматериалов в качестве атомов, ДНК в качестве связей и небольшого количества тепла для образования крошечных кристаллов. Этот рецепт монокристалла основан на методах сверхрешетки, которые лаборатория Миркина разрабатывала почти два десятилетия.
В этой недавней работе экспериментатор Миркин объединился с теоретиком Моникой Ольвера де ла Крус, чтобы оценить новую технику и развить ее понимание. Учитывая набор наночастиц и определенный тип ДНК, Ольвера де ла Крус показал, что они могут точно предсказать трехмерную структуру или форму кристалла, в которые будут самоорганизовываться неупорядоченные компоненты.
Миркин — профессор химии Джорджа Б. Ратмана в колледже искусств и наук Вайнберга. Ольвера де ла Крус — профессор-юрист Тейлора и профессор материаловедения и инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Маккормика. Эти двое являются старшими соавторами исследования.
Результаты будут опубликованы 27 ноября в журнале Nature.Общий набор инструкций дает исследователям беспрецедентный контроль над типом и формой кристаллов, которые они могут построить. Команда Northwestern работала с наночастицами золота, но рецепт может быть применен к множеству материалов с потенциальными применениями в областях материаловедения, фотоники, электроники и катализа.В монокристалле есть порядок: его кристаллическая решетка сплошная и сплошная на всем протяжении.
Отсутствие дефектов в материале может придать этим кристаллам уникальные механические, оптические и электрические свойства, что делает их очень желанными.В северо-западном исследовании нити комплементарной ДНК действуют как связи между неупорядоченными наночастицами золота, превращая их в упорядоченный кристалл.
Исследователи определили, что отношение длины линкера ДНК к размеру наночастицы имеет решающее значение.«Если у вас правильное соотношение, получается идеальный кристалл — разве это не весело?» сказал Ольвера де ла Крус, который также является профессором химии в колледже искусств и наук Вайнберга. «Это удивительно, что у вас должно быть правильное соотношение. Мы изучаем так много правил расчета вещей, которые другие люди не могут вычислить в атомах, в атомных кристаллах».Отношение влияет на энергию граней кристаллов, которая определяет окончательную форму кристалла.
Она объяснила, что соотношения, которые не соответствуют рецепту, приводят к большим колебаниям энергии и в результате получается сфера, а не граненый кристалл. При правильном соотношении энергии колеблются меньше и каждый раз приводят к кристаллу.
«Представьте, что у вас есть миллион шаров двух цветов, красный и синий, в контейнере, и вы пытаетесь их встряхивать, пока не получите чередующиеся красные и синие шары», — объяснил Миркин. "Этого никогда не случится.«Но если вы прикрепите ДНК, которая является комплементарной наночастицам — у красного есть один вид ДНК, скажем, у синего — его дополнение — и теперь вы встряхиваете или, в нашем случае, просто перемешиваете в воде, все частицы найдут одну другой и связать вместе », — сказал он. «Они прекрасно собираются в трехмерный кристалл, который мы предсказали с помощью вычислений и реализовали экспериментально».
Исследовательская группа сообщает, что для создания самособирающегося монокристалла в лаборатории использовались два набора наночастиц золота, снабженных дополнительными связующими цепями ДНК. Работая с примерно 1 миллионом наночастиц в воде, они нагревали раствор до температуры чуть выше точки плавления линкеров ДНК, а затем медленно охлаждали раствор до комнатной температуры, что заняло два или три дня.Очень медленный процесс охлаждения побудил одноцепочечную ДНК найти свой комплемент, в результате чего получился высококачественный монокристалл шириной примерно три микрона. «Этот процесс дает системе достаточно времени и энергии для того, чтобы все частицы собрались и нашли места, в которых они должны находиться», — сказал Миркин.Исследователи определили, что длина ДНК, соединенной с каждой золотой наночастицей, не может быть намного больше, чем размер наночастицы.
В исследовании диаметр наночастиц золота варьировался от пяти до 20 нанометров; для каждого длина ДНК, которая привела к образованию кристаллов, составляла около 18 пар оснований и шесть одноосновных «липких концов».«Нет никаких причин, по которым мы не сможем вырастить чрезвычайно большие монокристаллы в будущем с использованием модификаций нашей техники», — сказал Миркин, который также является профессором медицины, химической и биологической инженерии, биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии и директором Northwestern’s Международный институт нанотехнологий.