Dalle antiche piramidi agli edifici moderni, varie strutture tridimensionali (3-D) sono state formate impacchettando insieme oggetti sagomati. Alla macroscala, la forma degli oggetti è fissa e quindi determina come possono essere disposti. Per esempio, i mattoni attaccati da malta conservano la loro forma rettangolare allungata. Ma su scala nanometrica, la forma degli oggetti può essere modificata in una certa misura quando sono rivestiti con molecole organiche, come polimeri, tensioattivi (agenti tensioattivi), e DNA. Queste molecole essenzialmente creano un guscio "morbido" intorno altrimenti "duro, "o rigido, nano-oggetti. Quando i nano-oggetti si impacchettano insieme, la loro forma originale potrebbe non essere completamente preservata perché il guscio è flessibile, una sorta di scultura su scala nanometrica.

Ora, un team di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Columbia Engineering ha dimostrato che le nanoparticelle a forma di cubo, o nanocubi, rivestiti con catene di DNA a singolo filamento si assemblano in un'insolita disposizione a "zigzag" che non è mai stata osservata prima su scala nanometrica o macroscala. La loro scoperta è riportata nel numero online del 17 maggio di Progressi scientifici .

"Gli oggetti in nanoscala hanno quasi sempre una sorta di involucro perché vi fissiamo intenzionalmente dei polimeri durante la sintesi per prevenire l'aggregazione, " ha spiegato il co-autore Oleg Gang, leader del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) - un DOE Office of Science User Facility presso il Brookhaven Lab - e professore di ingegneria chimica e fisica applicata e scienza dei materiali alla Columbia University. "In questo studio, abbiamo esplorato come cambiare la morbidezza e lo spessore dei gusci di DNA (cioè, la lunghezza delle catene di DNA) influenza l'impaccamento dei nanocubi d'oro."

Gang e gli altri membri del team:Fang Lu e Kevin Yager di CFN; Yugang Zhang della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven; e Sanat Kumar, Thi Vo, e Alex Frenkel del Dipartimento di Ingegneria Chimica della Columbia, hanno scoperto che i nanocubi circondati da sottili gusci di DNA si impacchettano in un modo simile a quello previsto su macroscala, con i cubi disposti in strati ordinati orientati direttamente uno sopra l'altro. Ma questa semplice disposizione cubica lascia il posto a un tipo di imballaggio molto insolito quando viene aumentato lo spessore dei gusci (cioè, quando il guscio diventa "più morbido").

"Ogni nanocubo ha sei facce in cui può connettersi ad altri cubi, " ha spiegato Gang. "I cubi che hanno DNA complementare sono attratti l'uno dall'altro, ma i cubi che hanno lo stesso DNA si respingono. Quando il guscio del DNA diventa sufficientemente morbido (spesso), i cubi si dispongono in quello che sembra uno schema a zigzag, che massimizza l'attrazione e riduce al minimo la repulsione pur rimanendo imballato il più strettamente possibile.

"Questo tipo di imballaggio non è mai stato visto prima, e rompe la simmetria orientativa dei cubi rispetto ai vettori (direzioni delle x, si, e z nel cristallo) della cella elementare, " ha detto il primo autore Fang Lu, uno scienziato nel gruppo di Gang. "A differenza di tutti gli impaccamenti di cubi osservati in precedenza, l'angolo tra i cubi e questi tre assi non è lo stesso:due angoli sono diversi dall'altro."

Una cella unitaria è la più piccola parte ripetitiva di un reticolo cristallino, che è una serie di punti nello spazio 3D in cui sono posizionate le nanoparticelle. Le nanoparticelle sagomate possono essere orientate in modo diverso l'una rispetto all'altra all'interno della cella elementare, come dai loro volti, bordi, o angoli. L'impaccamento a zigzag che gli scienziati hanno osservato in questo studio è una sorta di compromesso su scala nanometrica in cui nessuno dei due orientamenti relativi "vince". Anziché, i cubi trovano la migliore disposizione per coesistere in un reticolo ordinato in base al fatto che abbiano lo stesso DNA o un DNA complementare (cioè, respingersi o attrarsi di conseguenza).

In questo caso, possono verificarsi due diversi tipi di reticolo:cubico a corpo centrato (BCC) e tetragonale a corpo centrato (BCT). Sia BCC che BCT hanno posizioni simili di particelle al centro e agli angoli dei cubi, ma BCC ha lati di cella unitaria di uguale lunghezza mentre BCT no.

Per visualizzare la forma dei cubi e il loro comportamento di impacchettamento, gli scienziati hanno utilizzato una combinazione di microscopia elettronica presso il CFN e diffusione di raggi X a piccolo angolo (SAXS) presso l'ex linea di luce X9 di NSLS e la linea di luce di dispersione dei materiali complessi di NSLS-II. Gli studi di microscopia elettronica richiedono che i materiali siano prelevati dalla soluzione, ma SAXS può essere condotto in situ per fornire informazioni strutturali più dettagliate e precise. In questo studio, i dati di dispersione sono stati utili nel rivelare le simmetrie, distanze tra le particelle, e orientamenti delle particelle nelle strutture dei nanocubi 3-D. I calcoli teorici eseguiti dal gruppo Kumar alla Columbia hanno confermato che la disposizione a zigzag è possibile e hanno razionalizzato il motivo per cui questo tipo di impacchettamento stava avvenendo in base alle proprietà dei gusci di DNA.

Il team è ora desideroso di determinare se i nano-oggetti dal guscio morbido che non sono cubi o hanno più di una forma si impacchettano insieme in modi inaspettati.

"Una comprensione dell'interazione tra nano-oggetti sagomati e gusci morbidi ci consentirà di dirigere l'organizzazione degli oggetti in strutture particolari con l'ottica desiderata, meccanico, e altre proprietà, " disse Kumar.