La natura costruisce diamanti impeccabili, zaffiri e altre gemme. Ora un team di ricerca della Northwestern University è il primo a costruire cristalli singoli quasi perfetti con nanoparticelle e DNA, utilizzando la stessa struttura preferita dalla natura.

"I cristalli singoli sono la spina dorsale di molte cose su cui facciamo affidamento:diamanti per la bellezza e applicazioni industriali, zaffiri per laser e silicio per elettronica, " ha detto il nanoscienziato Chad A. Mirkin. "Il posizionamento preciso degli atomi all'interno di un reticolo ben definito definisce questi cristalli di alta qualità.

"Ora possiamo fare lo stesso con i nanomateriali e il DNA, il progetto della vita, " Ha detto Mirkin. "Il nostro metodo potrebbe portare a nuove tecnologie e persino consentire nuove industrie, tanto quanto la capacità di far crescere il silicio in perfette disposizioni cristalline ha reso possibile l'industria dei semiconduttori multimiliardaria".

Il suo gruppo di ricerca ha sviluppato la "ricetta" per utilizzare i nanomateriali come atomi, DNA come legami e un po' di calore per formare minuscoli cristalli. Questa ricetta a cristallo singolo si basa su tecniche del superlattice che il laboratorio di Mirkin ha sviluppato per quasi due decenni.

In questo recente lavoro, Mirkin, uno sperimentatore, ha collaborato con Monica Olvera de la Cruz, un teorico, valutare la nuova tecnica e svilupparne la comprensione. Dato un insieme di nanoparticelle e un tipo specifico di DNA, Olvera de la Cruz ha dimostrato di poter prevedere con precisione la struttura 3-D, o forma di cristallo, in cui i componenti disordinati si autoassemblano.

Mirkin è il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences. Olvera de la Cruz è un avvocato Taylor Professor e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering and Applied Science. I due sono co-autori senior dello studio.

I risultati saranno pubblicati il ​​27 novembre sulla rivista Natura .

Il set generale di istruzioni offre ai ricercatori un controllo senza precedenti sul tipo e sulla forma dei cristalli che possono costruire. Il team della Northwestern ha lavorato con nanoparticelle d'oro, ma la ricetta può essere applicata a una varietà di materiali, con potenziali applicazioni nel campo della scienza dei materiali, fotonica, elettronica e catalisi.

Un singolo cristallo ha un ordine:il suo reticolo cristallino è continuo e ininterrotto. L'assenza di difetti nel materiale può conferire a questi cristalli meccaniche uniche, proprietà ottiche ed elettriche, rendendoli molto desiderabili.

Nello studio nordoccidentale, filamenti di DNA complementare agiscono come legami tra nanoparticelle d'oro disordinate, trasformandoli in un cristallo ordinato. I ricercatori hanno determinato che il rapporto tra la lunghezza del linker del DNA e la dimensione della nanoparticella è fondamentale.

"Se ottieni il giusto rapporto, fa un cristallo perfetto, non è divertente?" disse Olvera de la Cruz, che è anche professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences. "Questa è la cosa affascinante, che devi avere il giusto rapporto. Stiamo imparando così tante regole per calcolare cose che altre persone non possono calcolare in atomi, nei cristalli atomici."

Il rapporto influenza l'energia delle facce dei cristalli, che determina la forma finale del cristallo. Rapporti che non seguono la ricetta portano a grandi fluttuazioni di energia e risultano in una sfera, non un cristallo sfaccettato, lei spiegò. Con il giusto rapporto, le energie fluttuano di meno e risultano ogni volta in un cristallo.

"Immagina di avere un milione di palline di due colori, un po' di rosso, un po' di blu, in un contenitore, e provi a scuoterle finché non ottieni palline rosse e blu alternate, " Mirkin ha spiegato. "Non accadrà mai.

"Ma se attacchi il DNA che è complementare alle nanoparticelle, il rosso ha un tipo di DNA, dire, il blu è il suo complemento - e ora ti scuoti, o nel nostro caso, basta mescolare in acqua, tutte le particelle si troveranno e si collegheranno, " ha detto. "Si assemblano magnificamente in un cristallo tridimensionale che abbiamo previsto computazionalmente e realizzato sperimentalmente".

Per realizzare un monocristallo autoassemblante in laboratorio, il team di ricerca riporta di aver preso due serie di nanoparticelle d'oro dotate di filamenti complementari di DNA linker. Lavorando con circa 1 milione di nanoparticelle in acqua, hanno riscaldato la soluzione a una temperatura appena sopra il punto di fusione dei linker del DNA e poi hanno raffreddato lentamente la soluzione a temperatura ambiente, che durò due o tre giorni.

Il processo di raffreddamento molto lento ha incoraggiato il DNA a filamento singolo a trovare il suo complemento, risultando in un cristallo singolo di alta qualità di circa tre micron di larghezza. "Il processo fornisce al sistema tempo ed energia sufficienti affinché tutte le particelle si dispongano e trovino i punti in cui dovrebbero trovarsi, " ha detto Mirkin.

I ricercatori hanno determinato che la lunghezza del DNA collegato a ciascuna nanoparticella d'oro non può essere molto più lunga della dimensione della nanoparticella. Nello studio, le nanoparticelle d'oro variavano da cinque a 20 nanometri di diametro; per ciascuno, la lunghezza del DNA che ha portato alla formazione dei cristalli era di circa 18 coppie di basi e sei "estremità appiccicose" a base singola.

"Non c'è motivo per cui non possiamo coltivare cristalli singoli straordinariamente grandi in futuro usando modifiche della nostra tecnica, " disse Mirkin, che è anche professore di medicina, ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali e direttore dell'International Institute for Nanotechnology della Northwestern.

Il titolo dell'articolo è "Cristalizzazione di nanoparticelle mediata da DNA in poliedri di Wulff".

Oltre a Mirkin e Olvera de la Cruz, autori del documento sono Evelyn Auyeung (primo autore), Ting I.N.G.Li, Andrea J. Senesi, Abrin L. Schmucker e Bridget C. Pals, tutto da nordovest.