Il controllo dell'autoassemblaggio delle nanoparticelle in superreticoli è un approccio importante per costruire materiali funzionali. Il team di Brookhaven ha utilizzato blocchi di costruzione di dimensioni nanometriche - cubi o ottaedri - decorati con catene di DNA per coordinare l'assemblaggio di nanoparticelle sferiche rivestite con filamenti di DNA complementari. Credito:Brookhaven National Laboratory
Portando il gioco da ragazzi con i mattoni a un livello completamente nuovo:gli scienziati su scala nanometrica del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno costruito array di nanoparticelle multicomponente "superreticolo" 3D in cui la disposizione delle particelle è guidata dalla forma del minuscoli mattoncini. Il metodo utilizza molecole di collegamento costituite da filamenti complementari di DNA per superare la tendenza dei blocchi a impacchettarsi in un modo che separerebbe componenti di forma diversa. I risultati, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , sono un passo importante nel percorso verso la progettazione di materiali compositi prevedibili per applicazioni in catalisi, altre tecnologie energetiche, e medicina.
"Se vogliamo sfruttare le promettenti proprietà delle nanoparticelle, dobbiamo essere in grado di incorporarli in modo affidabile in materiali compositi su larga scala per applicazioni del mondo reale, " ha spiegato il fisico di Brookhaven Oleg Gang, che ha guidato la ricerca presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.
"Il nostro lavoro descrive un nuovo modo di fabbricare materiali compositi strutturati utilizzando legami direzionali di particelle sagomate per un assemblaggio prevedibile, " disse Fang Lu, l'autore principale della pubblicazione.
La ricerca si basa sull'esperienza del team che collega insieme le nanoparticelle utilizzando filamenti di DNA sintetico. Come la molecola che porta il codice genetico degli esseri viventi, questi filamenti sintetici hanno basi complementari note con le lettere del codice genetico G, C, T, e A, che si legano tra loro in un solo modo (G in C; T in A). Gang ha precedentemente utilizzato legami di DNA complementari attaccati a nanoparticelle per guidare l'assemblaggio di una serie di matrici e strutture. Il nuovo lavoro esplora la forma delle particelle come mezzo per controllare la direzionalità di queste interazioni per ottenere un ordine a lungo raggio in assiemi e cluster su larga scala.
I legami del DNA conducono i blocchi cubici e le sfere ad autoassemblarsi in modo che una sfera si leghi a ciascuna faccia di un cubo, con conseguente regolare, disposizione ripetuta. Credito:Brookhaven National Laboratory
Particelle sferiche, Gang ha spiegato, normalmente imballare insieme per ridurre al minimo il volume libero. Linker del DNA che utilizzano filamenti complementari per attirare particelle, o filamenti non complementari per mantenere separate le particelle, possono alterare tale imballaggio in una certa misura per ottenere disposizioni diverse. Per esempio, gli scienziati hanno sperimentato il posizionamento di fili di collegamento complementari in posizioni strategiche sulle sfere per far sì che le particelle si allineino e si leghino in un modo particolare. Ma non è così facile realizzare nanosfere con fili di collegamento posizionati con precisione.
"Abbiamo esplorato un'idea alternativa:l'introduzione di 'blocchi' sagomati su nanoscala decorati con catene di DNA su ogni sfaccettatura per controllare il legame direzionale delle sfere con catene di DNA complementari, " ha detto Gang.
Quando gli scienziati hanno mescolato i nanocubi rivestiti con legami di DNA su tutti e sei i lati con nanosfere di circa la stessa dimensione, che era stato rivestito con lacci complementari, queste due particelle di forma diversa non si sono segregate come ci si sarebbe aspettato in base al loro normale comportamento di impacchettamento. Anziché, la "colla" del DNA ha impedito la separazione fornendo una forza attrattiva tra le sfaccettature piatte dei blocchi e le catene sulle sfere, così come una forza repulsiva tra i legami non accoppiati su oggetti della stessa forma.
"Il DNA ci permette di imporre regole:le sfere attraggono i cubi (reciprocamente); le sfere non attraggono le sfere; e i cubi non attraggono i cubi, "Ha detto Gang. "Questo rompe la tendenza convenzionale dell'imballaggio e consente al sistema di autoassemblarsi in una serie alternata di cubi e sfere, dove ogni cubo è circondato da sei sfere (una per una faccia) e ogni sfera è circondata da sei cubi." Usando blocchi ottaedrici invece di cubi ha ottenuto una disposizione diversa, con una sfera che si lega a ciascuna delle otto sfaccettature triangolari dei blocchi.
I nanoblocchi e le sfere sono rivestiti con legami di DNA complementari in modo che le due forme dissimili si attraggano e si leghino l'una all'altra. Credito:Brookhaven National Laboratory
Il metodo ha richiesto un certo trattamento termico per ottenere l'ordine a lungo raggio più uniforme. E gli esperimenti con diversi tipi di legami di DNA hanno mostrato che avere filamenti di DNA flessibili era essenziale per accogliere l'accoppiamento di particelle di forma diversa.
"I gusci flessibili del DNA 'ammorbidiscono' le particelle, which allows them to fit into arrangements where the shapes do not match geometrically, " Lu said. But excessive softness results in unnecessary particle freedom, which can ruin a perfect lattice, lei ha aggiunto. Finding the ideal flexibility for the tethers was an essential part of the work.
The scientists used transmission and scanning electron microscopy at the CFN and also conducted x-ray scattering experiments at the National Synchrotron Light Source, another DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab, to reveal the structure and take images of assembled clusters and lattices at various length scales. They also explained the experimental results with models based on the estimation of nanoscale interactions between the tiny building blocks.
"In definitiva, this work shows that large-scale binary lattices can be formed in a predictable manner using this approach, " Gang said. "Given that our approach does not depend on the particular particle's material and the large variety of particle shapes available-many more than in a child's building block play set-we have the potential to create many diverse types of new nanomaterials."
