I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato una tecnica unica nel suo genere per creare classi completamente nuove di materiali e dispositivi ottici che potrebbero portare a dispositivi di flessione e occultamento della luce, notizie per ravvivare le orecchie dello Spock di Star Trek.

Utilizzando il DNA come strumento chiave, il team interdisciplinare ha preso nanoparticelle d'oro di diverse dimensioni e forme e le ha disposte in due e tre dimensioni per formare superreticoli otticamente attivi. Strutture con configurazioni specifiche potrebbero essere programmate attraverso la scelta del tipo di particella e sia del modello che della sequenza del DNA per mostrare quasi tutti i colori nello spettro visibile, riferiscono gli scienziati.

"L'architettura è tutto quando si progettano nuovi materiali, e ora abbiamo un nuovo modo per controllare con precisione le architetture di particelle su grandi aree, " ha detto Chad A. Mirkin, il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. "Chimici e fisici saranno in grado di costruire un numero quasi infinito di nuove strutture con ogni sorta di proprietà interessanti. Queste strutture non possono essere realizzate con nessuna tecnica nota".

La tecnica combina un vecchio metodo di fabbricazione:litografia top-down, lo stesso metodo utilizzato per realizzare chip per computer, con uno nuovo, autoassemblaggio programmabile guidato dal DNA. Il team della Northwestern è il primo a combinare i due per ottenere il controllo individuale delle particelle in tre dimensioni.

Lo studio è stato pubblicato online dalla rivista Scienza oggi (18 gennaio). Mirkin e Vinayak P. Dravid e Koray Aydin, entrambi professori della McCormick School of Engineering della Northwestern, sono autori corrispondenti.

Gli scienziati saranno in grado di utilizzare la tecnica potente e flessibile per costruire metamateriali, materiali non presenti in natura, per una vasta gamma di applicazioni, inclusi sensori per usi medici e ambientali.

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di simulazioni numeriche e tecniche di spettroscopia ottica per identificare particolari superreticoli di nanoparticelle che assorbono specifiche lunghezze d'onda della luce visibile. Le nanoparticelle modificate dal DNA, in questo caso l'oro, sono posizionate su un modello pre-modellato fatto di DNA complementare. Si possono realizzare pile di strutture introducendo una seconda e poi una terza particella DNA modificata con DNA complementare agli strati successivi.

Oltre ad essere architetture insolite, questi materiali rispondono agli stimoli:i filamenti di DNA che li tengono insieme cambiano di lunghezza quando esposti a nuovi ambienti, come soluzioni di etanolo che variano in concentrazione. La variazione della lunghezza del DNA, i ricercatori hanno scoperto, ha comportato un cambiamento di colore dal nero al rosso al verde, fornendo un'estrema sintonizzabilità delle proprietà ottiche.

"La messa a punto delle proprietà ottiche dei metamateriali è una sfida significativa, e il nostro studio raggiunge uno dei più alti intervalli di sintonizzabilità raggiunti fino ad oggi nei metamateriali ottici, " disse Aidin, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla McCormick.

"La nostra nuova piattaforma di metamateriali, resa possibile da un controllo preciso ed estremo della forma delle nanoparticelle d'oro, dimensioni e spaziatura:rappresenta una promessa significativa per i metamateriali e le metasuperfici ottici di prossima generazione, " ha detto Aidin.

Lo studio descrive un nuovo modo di organizzare le nanoparticelle in due e tre dimensioni. I ricercatori hanno utilizzato metodi di litografia per praticare piccoli fori, larghi solo una nanoparticella, in un polimero resist, creazione di "piatti di atterraggio" per componenti di nanoparticelle modificati con filamenti di DNA. Le piazzole di atterraggio sono essenziali, Mirkin ha detto, poiché mantengono le strutture che sono cresciute in verticale.

Le piattaforme di atterraggio nanoscopiche sono modificate con una sequenza di DNA, e le nanoparticelle d'oro sono modificate con DNA complementare. Alternando nanoparticelle con DNA complementare, i ricercatori hanno costruito pile di nanoparticelle con un enorme controllo di posizione e su una vasta area. Le particelle possono essere di diverse dimensioni e forme (sfere, cubetti e dischi, Per esempio).

"Questo approccio può essere utilizzato per costruire reticoli periodici da particelle otticamente attive, come l'oro, argento e qualsiasi altro materiale che può essere modificato con il DNA, con straordinaria precisione su scala nanometrica, " disse Mirkin, direttore dell'International Institute for Nanotechnology della Northwestern.

Mirkin è anche professore di medicina presso la Northwestern University Feinberg School of Medicine e professore di ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School.

Il successo dell'assemblaggio programmabile del DNA riportato ha richiesto esperienza con materiali ibridi (soft-hard) e squisiti nanopatterning e capacità litografiche per ottenere la risoluzione spaziale richiesta, definizione e fedeltà su ampie aree di substrato. Il team di progetto si è rivolto a Dravid, collaboratore di lunga data di Mirkin specializzato in nanopatterning, microscopia avanzata e caratterizzazione di molli, nanostrutture dure e ibride.

Dravid ha contribuito con la sua esperienza e ha assistito nella progettazione della strategia di nanopatterning e litografia e nella relativa caratterizzazione delle nuove strutture esotiche. È Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering a McCormick e direttore fondatore del centro NUANCE, che ospita il patterning avanzato, litografia e caratterizzazione utilizzate nelle strutture programmate dal DNA.