Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un approccio generale per combinare diversi tipi di nanoparticelle per produrre materiali compositi su larga scala. La tecnica, descritto in un articolo pubblicato online da Nanotecnologia della natura il 20 ottobre, 2013, apre molte opportunità per mescolare e abbinare particelle con diversi magnetici, ottico, o proprietà chimiche per formare nuovi, materiali multifunzionali o con prestazioni migliorate per un'ampia gamma di potenziali applicazioni.

L'approccio sfrutta l'attraente accoppiamento di filamenti complementari di DNA sintetico basato sulla molecola che porta il codice genetico nella sua sequenza di basi abbinate note con le lettere A, T, G, e C. Dopo aver rivestito le nanoparticelle con una "piattaforma di costruzione" chimicamente standardizzata e aver aggiunto molecole extender a cui il DNA può facilmente legarsi, gli scienziati collegano filamenti di DNA complementari progettati in laboratorio ai due diversi tipi di nanoparticelle che vogliono collegare. L'accoppiamento naturale dei filamenti corrispondenti quindi "autoassembla" le particelle in una matrice tridimensionale composta da miliardi di particelle. Variando la lunghezza dei linker del DNA, la loro densità superficiale sulle particelle, e altri fattori danno agli scienziati la capacità di controllare e ottimizzare diversi tipi di materiali di nuova formazione e le loro proprietà.

"Il nostro studio dimostra che i metodi di assemblaggio guidati dal DNA consentono la creazione in base alla progettazione di nanocompositi 'superreticolo' su larga scala da un'ampia gamma di nanocomponenti ora disponibili, inclusi quelli magnetici, catalitico, e nanoparticelle fluorescenti, " ha detto il fisico di Brookhaven Oleg Gang, che ha guidato la ricerca presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Lab. "Questo progresso si basa sul nostro lavoro precedente con sistemi più semplici, dove abbiamo dimostrato che l'associazione di nanoparticelle con funzioni diverse può influenzare le prestazioni delle singole particelle, e offre percorsi per la fabbricazione di nuovi materiali con combinati, migliorato, o anche funzioni nuove di zecca."

Le applicazioni future potrebbero includere punti quantici la cui fluorescenza incandescente può essere controllata da un campo magnetico esterno per nuovi tipi di interruttori o sensori; nanoparticelle d'oro che migliorano sinergicamente la luminosità del bagliore fluorescente dei punti quantici; o nanomateriali catalitici che assorbono i "veleni" che normalmente ne degradano le prestazioni, Ha detto Gang.

"I moderni metodi di nanosintesi forniscono agli scienziati diversi tipi di nanoparticelle da una vasta gamma di elementi atomici, " disse Yugang Zhang, primo autore del saggio. "Con il nostro approccio, gli scienziati possono esplorare gli accoppiamenti di queste particelle in modo razionale".

L'accoppiamento di particelle dissimili presenta molte sfide che gli scienziati hanno studiato nel lavoro che ha portato a questo documento. Per comprendere gli aspetti fondamentali di vari materiali di nuova formazione hanno utilizzato una vasta gamma di tecniche, compresi gli studi sulla diffusione dei raggi X presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven e la spettroscopia e la microcopia elettronica presso il CFN.

Per esempio, gli scienziati hanno esplorato l'effetto della forma delle particelle. "In linea di principio, particelle di forma diversa non vogliono coesistere in un reticolo, " ha detto Gang. "O tendono a separarsi in fasi diverse come olio e acqua rifiutandosi di mescolarsi o formare strutture disordinate." Gli scienziati hanno scoperto che il DNA non solo aiuta le particelle a mescolarsi, ma ma può anche migliorare l'ordine per tali sistemi quando viene utilizzato un guscio di DNA più spesso attorno alle particelle.

Hanno anche studiato come il meccanismo di accoppiamento del DNA e altre forze fisiche intrinseche, come l'attrazione magnetica tra le particelle, potrebbero competere durante il processo di montaggio. Per esempio, le particelle magnetiche tendono ad aggregarsi per formare aggregati che possono ostacolare il legame del DNA da un altro tipo di particella. "Mostriamo che i filamenti di DNA più corti sono più efficaci nel competere contro l'attrazione magnetica, " ha detto Gang.

Per il particolare composto di oro e nanoparticelle magnetiche che hanno creato, gli scienziati hanno scoperto che l'applicazione di un campo magnetico esterno potrebbe "commutare" la fase del materiale e influenzare l'ordinamento delle particelle. "Questa era solo una dimostrazione che si può fare, ma potrebbe avere un'applicazione, forse interruttori magnetici, o materiali che potrebbero essere in grado di cambiare forma su richiesta, " disse Zhang.

Il terzo fattore fondamentale esplorato dagli scienziati è stato il modo in cui le particelle sono state ordinate negli array del superreticolo:un tipo di particella occupa sempre la stessa posizione rispetto all'altro tipo ragazzi e ragazze seduti in posti alternati in un cinema? intervallati in modo più casuale? "Questo è ciò che chiamiamo un ordine compositivo, che è importante ad esempio per i punti quantici perché le loro proprietà ottiche, ad esempio, la loro capacità di brillare dipende da quante nanoparticelle d'oro ci sono nell'ambiente circostante, " disse Gang. "Se hai un disordine compositivo, le proprietà ottiche sarebbero diverse." Negli esperimenti, aumentando lo spessore dei gusci di DNA morbido attorno alle particelle aumentava il disordine compositivo.

Questi principi fondamentali forniscono agli scienziati un quadro per la progettazione di nuovi materiali. Le condizioni specifiche richieste per una particolare applicazione dipenderanno dalle particelle utilizzate, Zhang ha sottolineato, ma l'approccio dell'assemblea generale sarebbe lo stesso.

ha detto banda, "Possiamo variare la lunghezza dei filamenti di DNA per cambiare la distanza tra le particelle da circa 10 nanometri a meno di 100 nanometri, il che è importante per le applicazioni perché molti ottici, magnetico, e altre proprietà delle nanoparticelle dipendono dal posizionamento su questa scala. Siamo entusiasti delle strade che questa ricerca apre in termini di direzioni future per l'ingegneria di nuove classi di materiali che sfruttano gli effetti collettivi e la multifunzionalità".