I cristalli fotonici sono materiali esotici con la capacità di guidare i raggi di luce attraverso spazi ristretti e potrebbero essere componenti vitali di chip per computer a bassa potenza che utilizzano la luce invece dell'elettricità. I modi economici per produrli si sono rivelati elusivi, ma recentemente i ricercatori si sono rivolti a una fonte sorprendente di aiuto:le molecole di DNA.

In un articolo apparso il 18 ottobre sulla rivista Materiali della natura , ricercatori del MIT, insieme ai colleghi dello Scripps Research Institute e dell'Università di Rochester, dimostrato che minuscole particelle d'oro e palline di proteine ​​note come particelle simili a virus, entrambi con filamenti di DNA attaccati ad essi, si organizzerebbero spontaneamente in una struttura reticolare. Sebbene i materiali stessi non siano utili per creare cristalli fotonici, le distanze tra le particelle sono esattamente quelle che permetterebbero a un cristallo fotonico di guidare la luce nello spettro visibile.

I cristalli fotonici sono realizzati con materiali con indici di rifrazione molto diversi:Cioè, piegano la luce a diversi gradi. A seconda delle distanze tra i materiali, i cristalli rifletteranno la luce di una particolare lunghezza d'onda praticamente senza perdita. Accordare un cristallo fotonico alla luce nello spettro visibile richiede una distanza tra i materiali di pochi nanometri, che è difficile da fare con le tecniche di produzione esistenti. Ad oggi, gli unici cristalli fotonici che funzionano nello spettro visibile sono bidimensionali:possono riflettere la luce che viaggia in un piano ma non nel piano perpendicolare. Un cristallo fotonico con le dimensioni del nuovo reticolo di oro e proteine ​​dei ricercatori, però, rifletterebbe la luce in tre dimensioni, un requisito cruciale per spostare la luce attraverso i molteplici strati di un chip di computer.

Strani compagni di letto

Abigail Lytton-Jean, un postdoc presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT e uno dei due autori principali del nuovo articolo, ha iniziato a usare il DNA per creare cristalli autoassemblanti come studente laureato alla Northwestern University. Lei e il suo consigliere, Chad Mirkin, insieme a Sung Yong Park, che ora è all'Università di Rochester ed è coautore del nuovo documento, pure, hanno mostrato che legare filamenti di DNA di sequenze diverse alle nanoparticelle d'oro le farebbe auto-organizzare in cristalli con strutture diverse. Ma questa è la prima volta che il trucco viene eseguito con più materiali.

Sebbene l'oro e le proteine ​​non siano di per sé utili per i cristalli fotonici, Lytton-Jean dice, “Questo dimostra principalmente che abbiamo due materiali incredibilmente diversi. Abbiamo una proteina morbida che è di natura biologica, e poi vai all'altra estremità dello spettro, dove hai una sfera metallica dura. E se possiamo farlo con questi due tipi di materiali, potresti farlo con quasi ogni tipo di materiale." Futuri cristalli fotonici, lei spiega, potrebbe benissimo usare combinazioni di metalli e plastica - ancora una volta, materiali morbidi e duri.

Ma Orlin Velev, Professore Invista presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare della Carolina del Nord, dice, "Penso che l'applicazione più eccitante sia il co-assemblaggio unito di particelle organiche e inorganiche in un'unica struttura." Sottolinea che i dispositivi su scala nanometrica che combinano molecole biologiche e metalli potrebbero fungere da dispositivi di somministrazione di farmaci e sensori a basso costo che sarebbe abbastanza piccolo da circolare attraverso il corpo.

Secondo Daniel Anderson, professore associato presso la divisione di scienze e tecnologie della salute di Harvard-MIT e coautore dell'articolo, questa è un'altra applicazione che i ricercatori del MIT stanno studiando. Egli cita, ad esempio, il nuovo promettente campo dell'interferenza dell'RNA (RNAi), in cui vengono utilizzati brevi filamenti di RNA per interrompere processi biologici distruttivi. Nanodispositivi che combinano molecole organiche e inorganiche, Anderson dice, potrebbe "prendere molecole potenzialmente terapeutiche e portarle dove devono andare". il lavoro dei ricercatori è stato sostenuto dal National Institutes of Health e dallo Skaggs Institute for Chemical Biology, così come la Fondazione W. M. Keck,

Velev sottolinea che il lavoro dei ricercatori è scienza di base, e che "non sarà usato domani per applicazioni pratiche." Lytton-Jean riconosce che per autoassemblarsi in strutture cristalline regolari, le nanoparticelle devono essere di dimensioni uniformi, e produrli secondo specifiche precise non è affatto banale. “Un decennio fa, questo probabilmente non sarebbe stato possibile, perché la sintesi delle nanoparticelle d'oro non si era sviluppata tanto quanto oggi, "dice lei. Inoltre, lei aggiunge, uno dei motivi per cui lei e i suoi colleghi hanno utilizzato particelle d'oro e proteine ​​nel loro ultimo ciclo di esperimenti è che la chimica per attaccare il DNA all'oro e alle proteine ​​è ben nota. Ma, lei aggiunge, “Un grande lavoro è stato fatto sulla modifica delle nanoparticelle polimeriche. La chimica probabilmente non è un grosso problema".