Gli scienziati della BNL hanno utilizzato linker del DNA con tre siti di legame ("stringhe" nere) per collegare nanoparticelle d'oro (sfere arancioni e rosse) e molecole di colorante fluorescente (sfere blu) etichettate con sequenze di DNA complementari. Queste unità sono autoassemblate per formare un reticolo cubico corpo-centro con nanoparticelle agli angoli e al centro, e molecole di colorante fluorescente in mezzo.
(PhysOrg.com) -- Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti riportano il primo assemblaggio riuscito di strutture nanometriche multicomponente 3-D con proprietà ottiche regolabili che incorporano particelle che assorbono ed emettono luce. Questo lavoro, utilizzando il DNA sintetico come componente programmabile per collegare le nanoparticelle, dimostra la versatilità della nanotecnologia basata sul DNA per la fabbricazione di classi funzionali di materiali, in particolare quelli ottici, con possibili applicazioni in dispositivi di conversione dell'energia solare, sensori, e circuiti su scala nanometrica. La ricerca è stata pubblicata online il 29 settembre 2010, nel diario Nano lettere .
“Per la prima volta abbiamo dimostrato una strategia per l'assemblaggio di 3-D, ben definito, strutture otticamente attive che utilizzano componenti codificati dal DNA di diversi tipi, ", ha affermato l'autore principale Oleg Gang del Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven. Come i precedenti lavori di Gang e dei suoi colleghi, questa tecnica sfrutta l'elevata specificità di legame tra filamenti complementari di DNA per collegare le particelle tra loro in modo preciso.
Nello studio attuale, le molecole del DNA linker avevano tre siti di legame. Le due estremità dei filamenti sono state progettate per legarsi a filamenti complementari su nanoparticelle d'oro "plasmoniche", particelle in cui una particolare lunghezza d'onda della luce induce un'oscillazione collettiva degli elettroni conduttivi, portando a un forte assorbimento della luce a quella lunghezza d'onda. La parte interna di ciascun linker del DNA è stata codificata per riconoscere un filamento complementare legato chimicamente a una molecola di colorante fluorescente. Questa configurazione ha portato all'autoassemblaggio di strutture cristalline cubiche centrate sul corpo 3-D con nanoparticelle d'oro situate ad ogni angolo del cubo e al centro, con molecole di colorante in posizioni definite nel mezzo.
Gli scienziati hanno anche dimostrato che le strutture assemblate possono essere sintonizzate dinamicamente alterando la concentrazione di sale della soluzione in cui si formano. I cambiamenti nella salinità alterano la lunghezza delle molecole di DNA caricate negativamente, portando alla contrazione e all'espansione reversibili dell'intero reticolo di circa il 30 percento in lunghezza.
“Si è capito da tempo che la distanza tra le nanoparticelle metalliche e le molecole di colorante accoppiate può influenzare le proprietà ottiche di queste ultime, "ha detto Matthew Sfeir, coautore e scienziato ottico al CFN. In questo esperimento, l'espansione e la contrazione del reticolo cristallino innescate dalle variazioni della concentrazione salina hanno consentito una drammatica modulazione di una risposta ottica:è stato osservato un aumento di tre volte della velocità di emissione delle molecole fluorescenti.
Le strutture 3-D risultanti potrebbero essere sintonizzate regolando la concentrazione di sale. All'aumentare della concentrazione di sale, i cristalli si sono contratti di circa il 30 percento, diminuendo la distanza (D) tra le particelle. Questa contrazione della distanza interparticellare ha avuto un effetto drammatico sulla fluorescenza delle molecole di colorante, facendoli ciclizzare i fotoni più velocemente, come indicato dalla scala di colori a sinistra delle immagini del cristallo (vedi immagine sotto), che varia da quasi 2 nanosecondi per ciclo per il colorante libero (A), a circa 0,7 nanosecondi per ciclo in reticoli più grandi (C), a poco più di 0,3 nanosecondi per ciclo per i cristalli contratti (E).
Questi risultati sono stati determinati utilizzando una combinazione di diffusione di raggi X a piccolo angolo presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven e metodi fluorescenti risolti nel tempo presso il CFN. “Questa combinazione di metodi strutturali basati sul sincrotrone e tecniche di imaging ottico risolte nel tempo ha fornito preziose informazioni dirette sulla relazione tra la struttura e le proprietà fluorescenti di questi array di emissione di luce, "Gang ha detto.
“Il nostro studio affronta questioni importanti sull'autoassemblaggio di sistemi da componenti di più tipi. Tali sistemi consentono potenzialmente la modulazione delle proprietà dei singoli componenti, e potrebbe portare all'emergere di nuovi comportamenti a causa di effetti collettivi. Questo approccio di assemblaggio può essere applicato per esplorare tale comportamento collettivo di array nano-ottici tridimensionali, ad esempio l'influenza del reticolo plasmonico sui punti quantici.
“Una comprensione di queste interazioni sarebbe rilevante per lo sviluppo di nuovi materiali ottici per il fotovoltaico, fotocatalisi, informatica, e applicazioni di emissione di luce. Ora abbiamo un approccio per realizzare queste strutture e studiare ulteriormente questi effetti”.
