Un team di ricercatori del Gruppo Mirkin presso l’Istituto internazionale di nanotecnologia della Northwestern University, in collaborazione con l’Università del Michigan e il Centro per la ricerca cooperativa sui biomateriali – CIC biomaGUNE, svela una nuova metodologia per ingegnerizzare quasicristalli colloidali utilizzando elementi costitutivi modificati dal DNA. Il loro studio è pubblicato sulla rivista Nature Materials sotto il titolo "Quasicristalli colloidali ingegnerizzati con il DNA."
Caratterizzati da schemi ordinati ma non ripetitivi, i quasicristalli hanno a lungo lasciato perplessi gli scienziati. "L'esistenza dei quasicristalli è stata un enigma per decenni e la loro scoperta è stata giustamente premiata con un premio Nobel", ha affermato Chad Mirkin, il ricercatore principale dello studio.
"Sebbene ora esistano diversi esempi conosciuti, scoperti in natura o attraverso percorsi fortuiti, la nostra ricerca demistifica la loro formazione e, cosa ancora più importante, mostra come possiamo sfruttare la natura programmabile del DNA per progettare e assemblare deliberatamente i quasicristalli."
Il punto focale dello studio è stato l’assemblaggio di nanoparticelle decaedriche (NP), ovvero particelle con 10 lati, utilizzando il DNA come impalcatura guida. Attraverso una combinazione di simulazioni al computer ed esperimenti meticolosi, il team ha portato alla luce una scoperta straordinaria:queste NP decaedriche possono essere orchestrate per formare strutture quasicristalline con intriganti motivi a cinque e sei coordinati, culminando infine nella creazione di un quasicristallo dodecagonale (DDQC).
"Le nanoparticelle decaedriche possiedono una caratteristica simmetria quintupla che sfida le norme convenzionali di piastrellatura periodica", ha detto Mirkin. "Sfruttando le capacità programmabili del DNA, siamo stati in grado di dirigere l'assemblaggio di queste nanoparticelle in una robusta struttura quasicristallina."
I ricercatori hanno funzionalizzato nanoparticelle d’oro decaedriche con DNA corto a doppio filamento e hanno implementato un processo di raffreddamento controllato con precisione per facilitare l’assemblaggio. I superreticoli quasicristallini risultanti mostravano un ordine quasiperiodico di medio raggio, con analisi strutturali rigorose che confermavano la presenza di una simmetria di dodici volte e un caratteristico modello di piastrellatura triangolare-quadrata, caratteristiche distintive di un DDQC.
"È interessante notare che le simulazioni hanno scoperto che, a differenza della maggior parte dei quasicristalli assiali, il modello di piastrellatura degli strati nel quasicristallo decaedrico non si ripete in modo identico da uno strato all'altro. Invece, una percentuale significativa delle piastrelle è diversa, in modo casuale. Questa casualità produce un disordine che aiuta a stabilizzare il cristallo," ha affermato Sharon Glotzer, co-autrice dello studio e presidente del dipartimento di ingegneria chimica dell'Università del Michigan.
Le implicazioni di questa svolta sono di vasta portata e offrono un potenziale progetto per la sintesi controllata di altre strutture complesse precedentemente considerate irraggiungibili. Mentre la comunità scientifica approfondisce le infinite prospettive della materia programmabile, questa ricerca apre la strada a progressi e applicazioni trasformativi in diversi domini scientifici.
"Attraverso l'ingegneria di successo dei quasicristalli colloidali, abbiamo raggiunto una pietra miliare significativa nel regno della nanoscienza. Il nostro lavoro non solo fa luce sulla progettazione e creazione di complesse strutture su scala nanometrica, ma apre anche un mondo di possibilità per materiali avanzati e applicazioni nanotecnologiche innovative ", ha affermato Luis Liz-Marzán, coautore senior dello studio del CIC biomaGUNE.
Ulteriori informazioni: Quasicristalli colloidali progettati con DNA, materiali naturali (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01706-x
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dalla Northwestern University
