La natura è un maestro costruttore. Utilizzando un approccio dal basso verso l'alto, la natura prende minuscoli atomi e, attraverso il legame chimico, rende materiali cristallini, come diamanti, silicio e persino sale da cucina. In tutti loro, le proprietà dei cristalli dipendono dal tipo e dalla disposizione degli atomi all'interno del reticolo cristallino.

Ora, un team di scienziati della Northwestern University ha imparato a superare la natura costruendo materiali cristallini da nanoparticelle e DNA, lo stesso materiale che definisce il codice genetico di tutti gli organismi viventi.

Usando le nanoparticelle come "atomi" e il DNA come "legami, "gli scienziati hanno imparato a creare cristalli con le particelle disposte negli stessi tipi di configurazioni del reticolo atomico di alcune che si trovano in natura, ma hanno anche costruito strutture completamente nuove che non hanno una controparte minerale naturale.

Le regole di progettazione di base che gli scienziati del Northwestern hanno stabilito per questo approccio all'assemblaggio delle nanoparticelle promettono la possibilità di creare una varietà di nuovi materiali che potrebbero essere utili nella catalisi, elettronica, ottica, biomedicina e generazione di energia, tecnologie di archiviazione e conversione.

Il nuovo metodo e le regole di progettazione per realizzare materiali cristallini da nanostrutture e DNA saranno pubblicate il 14 ottobre dalla rivista Scienza .

"Stiamo costruendo una nuova sorta di tavola periodica, " ha detto il professor Chad A. Mirkin, che ha condotto la ricerca. "Utilizzando queste nuove regole di progettazione e le nanoparticelle come 'atomi artificiali, ' abbiamo sviluppato modalità di cristallizzazione controllata che sono, in molti aspetti, più potente del modo in cui la natura e i chimici producono materiali cristallini dagli atomi. Controllando le dimensioni, forma, tipo e posizione delle nanoparticelle all'interno di un dato reticolo, possiamo realizzare materiali e disposizioni di particelle completamente nuovi, non solo ciò che la natura detta."

Mirkin è il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences e professore di medicina, ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali e direttore dell'International Institute for Nanotechnology (IIN) della Northwestern.

"Una volta che abbiamo un certo tipo di reticolo, "Mirkin ha detto "le particelle possono essere avvicinate o allontanate modificando la lunghezza del DNA di interconnessione, fornendo così una sintonizzabilità quasi infinita."

"Questo lavoro è il risultato di una collaborazione interdisciplinare che ha accoppiato la chimica sintetica con la costruzione di modelli teorici, " ha detto il coautore George C. Schatz, un teorico di fama mondiale e il professore di chimica Charles E. ed Emma H. ​​Morrison alla Northwestern. "E' stato l'avanti e indietro tra sintesi e teoria che è stato cruciale per lo sviluppo delle regole di progettazione. La collaborazione è un aspetto speciale della ricerca alla Northwestern, e ha funzionato in modo molto efficace per questo progetto."

Nello studio, i ricercatori iniziano con due soluzioni di nanoparticelle rivestite di DNA a singolo filamento. Quindi aggiungono filamenti di DNA che si legano a queste particelle funzionalizzate dal DNA, che poi presentano un gran numero di "estremità appiccicose" di DNA a distanza controllata dalla superficie della particella; queste estremità appiccicose si legano quindi alle estremità appiccicose delle particelle adiacenti, formando una disposizione macroscopica di nanoparticelle.

Diverse strutture cristalline si ottengono utilizzando diverse combinazioni di nanoparticelle (con dimensioni variabili) e filamenti di DNA linker (con lunghezze controllabili). Dopo un processo di miscelazione e riscaldamento, le particelle assemblate passano da uno stato inizialmente disordinato a uno in cui ogni particella è localizzata con precisione secondo una struttura reticolare cristallina. Il processo è analogo a come si formano i cristalli atomici ordinati.

I ricercatori riportano sei regole di progettazione che possono essere utilizzate per prevedere la stabilità relativa di diverse strutture per un determinato insieme di dimensioni delle nanoparticelle e lunghezze del DNA. Nella carta, usano queste regole per preparare 41 diverse strutture cristalline con nove simmetrie cristalline distinte. Però, le regole di progettazione delineano una strategia per regolare in modo indipendente ciascuno dei parametri cristallografici rilevanti, inclusa la dimensione delle particelle (varia da 5 a 60 nanometri), simmetria cristallina e parametri reticolari (che possono variare da 20 a 150 nanometri). Ciò significa che questi 41 cristalli sono solo un piccolo esempio del numero quasi infinito di reticoli che potrebbero essere creati utilizzando diverse nanoparticelle e filamenti di DNA.

Mirkin e il suo team hanno utilizzato nanoparticelle d'oro nel loro lavoro, ma notano che il loro metodo può essere applicato anche a nanoparticelle di altre composizioni chimiche. Sia il tipo di nanoparticella assemblata che la simmetria della struttura assemblata contribuiscono alle proprietà di un reticolo, rendendo questo metodo un mezzo ideale per creare materiali con proprietà fisiche prevedibili e controllabili.

Mirkin crede che, un giorno presto, verrà creato un software che consentirà agli scienziati di selezionare le coppie di particelle e DNA necessarie per realizzare quasi tutte le strutture su richiesta.