Le nanoparticelle collegate da filamenti di DNA complementari formano un superreticolo bcc quando vengono aggiunte strato per strato a un substrato rivestito di DNA. Quando il DNA substrato è tutto di un tipo, il superreticolo si forma con un orientamento diverso (riga in alto) rispetto a quando il substrato ha entrambi i linker del DNA (riga in basso). I modelli di diffusione GISAXS (a destra) e le micrografie elettroniche a scansione (nel riquadro) rivelano la struttura del superreticolo.
(Phys.org) — Sognare nanostrutture che abbiano ottiche desiderabili, elettronico, o le proprietà magnetiche sono una cosa. Capire come farli è un altro. Una nuova strategia utilizza le proprietà di legame di filamenti complementari di DNA per attaccare le nanoparticelle tra loro e costruire una nanostruttura a film sottile stratificata attraverso una serie di passaggi controllati. L'indagine presso l'Advanced Photon Source del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dell'Office of Science ha rivelato la forma precisa che le strutture hanno adottato, e indica i modi per esercitare un controllo ancora maggiore sull'accordo finale.
L'idea di utilizzare il DNA per contenere le nanoparticelle è stata ideata più di 15 anni fa da Chad Mirkin e dal suo team di ricerca presso la Northwestern University. Hanno attaccato brevi tratti di DNA a singolo filamento con una data sequenza ad alcune nanoparticelle, e poi ha attaccato il DNA con la sequenza complementare ad altri. Quando le particelle sono state lasciate mescolarsi, le "estremità appiccicose" del DNA collegate tra loro, consentendo l'aggregazione e la disaggregazione reversibili a seconda delle proprietà di ibridazione dei linker del DNA.
Recentemente, questa "colla intelligente" del DNA è stata utilizzata per assemblare nanoparticelle in disposizioni ordinate simili a reticoli di cristalli atomici, ma su scala più ampia. Ad oggi, i superreticoli di nanoparticelle sono stati sintetizzati in oltre 100 forme cristalline, compresi alcuni che non sono mai stati osservati in natura.
Però, questi superreticoli sono tipicamente policristallini, e la dimensione, numero, e l'orientamento dei cristalli al loro interno è generalmente imprevedibile. Per essere utili come metamateriali, cristalli fotonici, e simili, sono necessari singoli superreticoli con dimensioni costanti e orientamento fisso.
I ricercatori della Northwestern e un collega dell'Argonne National Laboratory hanno ideato una variazione sulla procedura di collegamento del DNA che consente un maggiore grado di controllo.
Gli elementi base del superreticolo erano nanoparticelle d'oro, ogni 10 nanometri di diametro. Queste particelle sono state realizzate in due varietà distinte, uno adornato con circa 60 filamenti di DNA di una certa sequenza, mentre l'altro portava la sequenza complementare.
I ricercatori hanno costruito superreticoli a film sottile su un substrato di silicio anch'esso rivestito con filamenti di DNA. In una serie di esperimenti, il DNA del substrato era tutto di una sequenza – chiamatela sequenza “B” – ed è stato prima immerso in una sospensione di nanoparticelle con la sequenza complementare “A”.
Quando A e B terminano collegati, le nanoparticelle hanno formato un singolo strato sul substrato. Quindi il processo è stato ripetuto con una sospensione delle nanoparticelle di tipo B, per formare un secondo strato. L'intero ciclo è stato ripetuto, ben altre quattro volte, per creare un superreticolo di nanoparticelle multistrato sotto forma di film sottile.
Gli studi di diffusione di raggi X a piccolo angolo di incidenza radente (GISAXS) condotti presso la linea di luce 12-ID-B della divisione di scienze dei raggi X presso l'Argonne Advanced Photon Source hanno rivelato la simmetria e l'orientamento dei superreticoli mentre si formavano. Anche dopo solo tre semicicli, il team ha scoperto che le nanoparticelle si erano disposte in modo ben definito, struttura cubica a corpo centrato (bcc), che è stato mantenuto man mano che venivano aggiunti più strati.
In una seconda serie di esperimenti, i ricercatori hanno seminato il substrato con un mix di filamenti di DNA di entrambi i tipi A e B. L'esposizione successiva ai due tipi di nanoparticelle ha prodotto lo stesso superreticolo bcc, ma con un diverso orientamento verticale. Questo è, nel primo caso, il substrato giaceva su un piano attraverso il reticolo contenente un solo tipo di nanoparticella, mentre nel secondo caso, il piano conteneva un modello alternato di entrambi i tipi (vedi figura).
Per ottenere una crescita ordinata del superreticolo, i ricercatori hanno dovuto condurre il processo alla giusta temperatura. Troppo freddo, e le nanoparticelle si attaccherebbero al substrato in modo irregolare, e rimanere bloccato. Troppo caldo, e i legami del DNA non reggerebbero insieme.
Ma in un intervallo di temperatura di un paio di gradi su entrambi i lati di circa 40° C (appena al di sotto della temperatura alla quale le estremità adesive del DNA si staccano l'una dall'altra), le nanoparticelle sono state in grado di collegarsi e scollegarsi continuamente l'una dall'altra. In un periodo di circa un'ora per mezzo ciclo, si sono sistemati nel superreticolo bcc, la disposizione termodinamicamente più stabile.
GISAXS ha anche rivelato che sebbene il substrato forzasse i superreticoli in specifici allineamenti verticali, ha permesso ai cristalli di nanoparticelle di formarsi in qualsiasi orientamento orizzontale. I ricercatori stanno ora esplorando la possibilità che modellando il substrato in modo adeguato, possono controllare l'orientamento dei cristalli in entrambe le dimensioni, aumentare il valore pratico della tecnica.
