Gli scienziati usano filamenti di DNA per innescare cambiamenti di fase nei nanomateriali. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno appena compiuto un grande passo avanti verso l'obiettivo di progettare nanomateriali dinamici la cui struttura e le proprietà associate possono essere modificate su richiesta. In un documento che appare in Materiali della natura , descrivono un modo per riorganizzare selettivamente le nanoparticelle in array tridimensionali per produrre diverse configurazioni, o fasi, dagli stessi nano-componenti.
"Uno degli obiettivi dell'autoassemblaggio delle nanoparticelle è stato quello di creare strutture in base alla progettazione, " ha detto Oleg Gang, che ha guidato il lavoro presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. "Fino ad ora, la maggior parte delle strutture che abbiamo costruito sono statiche. Ora stiamo cercando di raggiungere un obiettivo ancora più ambizioso:realizzare materiali in grado di trasformarsi in modo da poter sfruttare le proprietà che emergono con i riarrangiamenti delle particelle".
La capacità di dirigere i riarrangiamenti delle particelle, o cambiamenti di fase, consentirà agli scienziati di scegliere le proprietà desiderate, ad esempio la risposta del materiale alla luce oa un campo magnetico e commutarli secondo necessità. Tali materiali a cambiamento di fase potrebbero portare a nuove applicazioni, come materiali ottici dinamici o sensibili all'energia.
Riarrangiamento diretto dal DNA
Quest'ultimo progresso nell'ingegneria su scala nanometrica si basa sul lavoro precedente del team che sviluppa modi per ottenere l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in complessi array compositi, compreso il collegamento tra loro con cavi costruiti con filamenti complementari di DNA sintetico. In questo caso, hanno iniziato con un assemblaggio di nanoparticelle già collegate in un array regolare dal legame complementare dell'A, T, G, e basi C su legami di DNA a singolo filamento, poi aggiunto filamenti di DNA "riprogrammazione" per alterare le interazioni interparticellari.
"Sappiamo che le proprietà dei materiali costruiti da nanoparticelle dipendono fortemente dalle loro disposizioni, " ha detto Gang. "In precedenza, siamo persino riusciti a manipolare le proprietà ottiche accorciando o allungando i legami del DNA. Ma questo approccio non ci consente di ottenere una riorganizzazione globale dell'intera struttura una volta che è già stata costruita".
L'iniezione di diversi tipi di filamenti di DNA riprogrammati può modificare le interazioni tra le particelle in modi diversi a seconda che i nuovi filamenti aumentino l'attrazione, repulsione, o una combinazione di queste forze tra le particelle. Credito:Brookhaven National Laboratory
Nel nuovo approccio, i filamenti di DNA riprogrammati aderiscono a siti di legame aperti sulle nanoparticelle già assemblate. Questi filamenti esercitano forze aggiuntive sulle nanoparticelle collegate.
"Introducendo diversi tipi di riprogrammazione dei filamenti di DNA, modifichiamo i gusci di DNA che circondano le nanoparticelle, " ha spiegato il borsista postdottorato CFN Yugang Zhang, l'autore principale della carta. "Alterare questi gusci può spostare selettivamente le interazioni particella-particella, o aumentando sia l'attrazione che la repulsione, o aumentando separatamente solo l'attrazione o solo la repulsione. Queste interazioni riprogrammate impongono nuovi vincoli alle particelle, costringendoli a realizzare una nuova organizzazione strutturale per soddisfare tali vincoli."
Usando il loro metodo, il team ha dimostrato di poter cambiare il loro array di nanoparticelle originale, la fase "madre", in più fasi figlie diverse con un controllo di precisione.
Vari tipi di filoni di riprogrammazione possono essere utilizzati per innescare selettivamente la trasformazione in diverse fasi, o configurazioni, delle stesse combinazioni di particelle. Credito:Brookhaven National Laboratory
Questo è molto diverso dai cambiamenti di fase guidati da condizioni fisiche esterne come pressione o temperatura, Gang ha detto, che in genere si traducono in sfasamenti monofase, o talvolta sequenziali. "In quei casi, per passare dalla fase A alla fase C, devi prima passare da A a B e poi da B a C, " ha detto Gang. "Il nostro metodo ci consente di scegliere quale fase figlia vogliamo e andare direttamente a quella perché la fase figlia è completamente determinata dal tipo di filamenti di riprogrammazione del DNA che utilizziamo".
Gli scienziati sono stati in grado di osservare le trasformazioni strutturali in varie fasi figlie utilizzando una tecnica chiamata diffusione in situ di raggi X a piccolo angolo presso la National Synchrotron Light Source, un altro DOE Office of Science User Facility che ha operato al Brookhaven Lab dal 1982 fino allo scorso settembre (ora sostituito da NSLS-II, che produce raggi X 10, 000 volte più luminoso). Il team ha anche utilizzato la modellazione computazionale per calcolare in che modo i diversi tipi di filamenti di riprogrammazione avrebbero alterato le interazioni tra le particelle, e trovarono che i loro calcoli concordavano bene con le loro osservazioni sperimentali.
"La capacità di cambiare dinamicamente la fase di un intero array di superreticoli consentirà la creazione di materiali riprogrammabili e commutabili in cui più, diverse funzioni possono essere attivate su richiesta, " ha detto Gang. "Il nostro lavoro sperimentale e l'analisi teorica di accompagnamento confermano che la riprogrammazione delle interazioni mediate dal DNA tra le nanoparticelle è un modo praticabile per raggiungere questo obiettivo".
