Il cristallo più complesso progettato e costruito da nanoparticelle è stato segnalato dai ricercatori della Northwestern University e confermato dai ricercatori dell'Università del Michigan. Il lavoro dimostra che alcune delle strutture più complicate della natura possono essere deliberatamente assemblate se i ricercatori possono controllare le forme delle particelle e il modo in cui si collegano.

"Questa è una dimostrazione tour de force di ciò che è possibile quando si sfrutta il contenuto informativo e la chimica del DNA e lo si combina con nanoparticelle di una dimensione e una forma, "Ha detto Chad A. Mirkin della Northwestern.

Mirkin è direttore del gruppo di ricerca che ha scoperto tali materiali e pioniere del concetto di cristallizzazione colloidale programmabile con acidi nucleici. È il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences.

La nanotecnologia promette di riunire i materiali in modi nuovi, forgiare nuove capacità in base alla progettazione. Nel 1996, Mirkin ha introdotto il concetto di utilizzare le nanoparticelle come atomi e il DNA sintetico - la stampa blu della vita - come legame chimicamente programmabile per creare materiali di design basati sulla capacità delle particelle di riconoscersi l'un l'altra attraverso sequenze immobilizzate sulle loro superfici.

Una potenziale applicazione per i cristalli costituiti da nanoparticelle, come questi appena segnalati, è il controllo della luce:le nanoparticelle interagiscono bene con le onde luminose perché sono di dimensioni simili. Ciò potrebbe portare a materiali che possono cambiare colori o motivi a comando o bloccare determinate lunghezze d'onda della luce, mentre trasmette o amplifica gli altri. Nuovi tipi di lenti, laser e persino materiali di occultamento simili a Star Trek sono possibili.

"Possiamo costruire questi complessi elementi costitutivi che consentono ai ricercatori di creare materiali che non si possono ottenere naturalmente da atomi e molecole, "ha detto Sharon Glotzer, lo Stuart W. Churchill Collegiate Professor di Ingegneria Chimica presso la U-M. Ha guidato la parte U-M dello studio.

Lo studio, intitolato "Cristalli colloidali di clatrato, " sarà pubblicato il 3 marzo sulla rivista Scienza . Mirkin e Glotzer sono autori corrispondenti dell'articolo.

In chimica, i clatrati sono noti per le loro camere che possono ospitare piccole molecole. Sono stati utilizzati per catturare inquinanti dall'ambiente, Per esempio. I cluster di nanoparticelle lasciano spazio anche al carico, che Mirkin suggerisce potrebbe essere utile per conservare, fornitura e rilevamento di materiali per l'ambiente, applicazioni mediche diagnostiche e terapeutiche.

Mentre i materiali naturali esibiscono una vertiginosa serie di strutture cristalline, la maggior parte dei laboratori di nanotecnologia fa fatica a superare i progetti cubici. Le strutture prodotte da Haixin Lin, ora un borsista post-dottorato nel laboratorio di Mirkin, sono di gran lunga superiori.

Le nuove strutture si sono formate in cluster fino a 42 particelle, abbozzare poliedri complessi come il grande dodecaedro. Questi ammassi si sono poi collegati in strutture cristalline a forma di gabbia chiamate clatrati.

Ancora, la storia non è il cristallo in sé:è come il cristallo è stato realizzato e caratterizzato. Il gruppo di Mirkin ha aperto la strada a molte strutture attraverso l'uso di filamenti di DNA come una sorta di colla intelligente, legare tra loro le nanoparticelle in un modo particolare. La particella è sia un elemento costitutivo che un modello che dirige le interazioni di legame. Nel frattempo, Il gruppo di Glotzer ha sostenuto il ruolo della forma delle nanoparticelle nel guidare l'assemblaggio delle strutture cristalline attraverso la modellazione al computer.

"Il gruppo di Chad ha avuto l'idea di esplorare nuove fasi osservando le previsioni che avevamo fatto, " ha detto Glotzer, il John Werner Cahn Distinguished University Professor di Ingegneria. "Un giorno, Ho ricevuto una telefonata da Chad. "Abbiamo appena ricevuto queste strutture incredibili!" Egli ha detto. E mi ha scritto una microfotografia dopo l'altra, continuavano a spuntare fuori. Ha detto che dobbiamo trovare un modo per assegnare definitivamente le loro strutture".

Le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato clatrati che si sono formati in gran parte grazie alla forma delle nanoparticelle d'oro. La forma bipiramidale, come due piramidi appiattite attaccate alla base, era naturalmente incline ad assemblare in strutture clatrate. Ma per farlo, avevano bisogno di filamenti di DNA attaccati ai loro lati alla giusta lunghezza. Quando troppo corto, i filamenti di DNA resi disordinati, strutture mal definite, mentre sequenze più lunghe hanno permesso la formazione dei clatrati.

Lin ha realizzato sistematicamente le bipiramidi d'oro con lunghezze dei bordi di 250 nanometri, metà della lunghezza d'onda della luce blu. Li ha poi modificati con sequenze di DNA di diversa lunghezza per determinare il costrutto più ottimizzato per formare le strutture cristalline osservate.

Quando vide gli schemi esotici nelle immagini del microscopio elettronico, li portò a Mirkin, che era allo stesso tempo entusiasta e incuriosito.

"Questi sono sbalorditivi:nessuno aveva mai realizzato tali strutture prima, " disse Mirkin, direttore dell'International Institute for Nanotechnology (IIN) della Northwestern.

Era chiaro che avevano realizzato fasi mai osservate prima, ma ottenere la struttura accuratamente assegnata era essenziale.

Dopo che Mirkin ha avvisato Glotzer, Sangmin Lee, uno studente di dottorato in ingegneria chimica, e Michele Engel, un borsista post-dottorato, entrambi all'UM, Bipiramidi stampate in 3D e assemblate per esplorare come potrebbero creare le forme nelle micrografie elettroniche. Quindi, loro e i loro colleghi hanno costruito un modello al computer per confermare che le nanoparticelle legate al DNA formerebbero effettivamente strutture clatrate.

"Per sapere davvero per certo, abbiamo dovuto fare una simulazione in cui hai le forme, inserisci l'interazione del DNA ed entrambi costruisci la cosa e vedi se è stabile nel computer, " ha detto Glotzer. "Abbiamo anche gettato le particelle in una scatola per vedere se si autoassemblavano nelle stesse condizioni in cui usavano in laboratorio".