«Если мы хотим использовать в своих интересах многообещающие свойства наночастиц, нам необходимо достоверно включить их в композиционные материалы более широкого масштаба для реальных заявлений», объяснила Брукхевенская Банда физика Олега, которая привела исследование в Центре Брукхевена Функциональных Наноматериалов (CFN), Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства.«Наша работа описывает новый способ изготовить структурированные композиционные материалы, используя направленные крепления имеющих форму частиц для предсказуемого собрания», сказал Фан Лу, ведущий автор публикации.Исследование основывается на опыте команды, связывающем наночастицы, вместе используя берега синтетической ДНК. Как молекула, которая несет генетический код живых существ, этим синтетическим берегам знали дополнительные основания буквы G генетического кода, C, T, и A, которые связывают друг с другом только одним способом (G к C; T к A).
Банда ранее использовала дополнительные привязи ДНК, приложенные к наночастицам, чтобы вести собрание ряда множеств и структур. Новая работа исследует форму частицы как средство управления направленностью этих взаимодействий, чтобы достигнуть дальнего порядка на крупномасштабных собраниях и группах.
Сферические частицы, Банда объяснила, обычно упаковывают вещи вместе, чтобы минимизировать свободный объем. Комплементарные нити использования компоновщиков ДНК, чтобы привлечь частицы или некомплементарные нити, чтобы держать частицы отдельно – могут изменить ту упаковку до некоторой степени, чтобы достигнуть различных мер.
Например, ученые экспериментировали с размещением дополнительных берегов компоновщика в стратегически важных точках на сферах, чтобы заставить частицы выстраиваться в линию и связывать конкретным способом. Но не настолько легко сделать наносферы с точно помещенными берегами компоновщика.«Мы исследовали дополнительную идею: введение имеющих форму наноразмерных ‘блоков’ украсило привязями ДНК на каждом аспекте, чтобы управлять направленным закреплением сфер с дополнительными привязями ДНК», заявила Банда.
Когда ученые смешали нанокубы, покрытые привязями ДНК на всех шести сторонах с наносферами приблизительно того же самого размера, который был покрыт дополнительными привязями, эти две частицы различной формы не выделялись, как будет ожидаться на основе их нормального упаковочного поведения. Вместо этого ДНК «клей» предотвратила разделение, обеспечив привлекательную силу между плоскими аспектами блоков и привязей на сферах, а также отталкивающую силу между несоединяющимися привязями на том же самом – сформированные объекты.«ДНК разрешает нам проводить в жизнь правила: сферы привлекают кубы (взаимно); сферы не привлекают сферы; и кубы не привлекают кубы», заявила Банда. «Это ломает обычную упаковочную тенденцию и позволяет, чтобы система самособралась в переменное множество кубов и сфер, где каждый куб окружен шестью сферами (один к лицу), и каждая сфера окружена шестью кубами». Используя восьмигранные блоки вместо кубов достиг различной договоренности, с одним закреплением сферы с каждым из восьми треугольных аспектов блоков.
Метод потребовал, чтобы некоторая тепловая обработка достигла самого однородного дальнего порядка. И эксперименты с различными типами привязей ДНК показали, что наличие гибких нитей ДНК было важно, чтобы приспособить соединение частиц различной формы.
«Гибкие раковины ДНК ‘смягчают’ частицы, который позволяет им вписываться в меры, где формы не соответствуют геометрически», сказал Лу. Но чрезмерная мягкость приводит к ненужной свободе частицы, которая может разрушить прекрасную решетку, добавила она. Нахождение идеальной гибкости для привязей было основной частью работы.
Ученые использовали передачу и просмотр электронной микроскопии в CFN и также провели эксперименты рассеивания рентгена в Национальном Источнике света Синхротрона, другом Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства на Brookhaven Lab, чтобы показать структуру и взять изображения собранных групп и решеток в различных шкалах расстояний. Они также объяснили результаты эксперимента с моделями на основе оценки наноразмерных взаимодействий между крошечными стандартными блоками.
«В конечном счете эта работа показывает, что крупномасштабные двойные решетки могут быть сформированы предсказуемым способом, используя этот подход», заявила Банда. «Учитывая, что наш подход не зависит от материала конкретной частицы, и большое разнообразие доступных многих больше форм частицы, чем в стандартном блоке ребенка играют сет – у нас есть потенциал, чтобы создать много разнообразных типов новых наноматериалов».