ДНК-техника позволила получить трёхмерную кристаллическую организацию наночастиц

Исследователи из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США впервые использовали ДНК для создания трёхмерных упорядоченных кристаллических структур из наночастиц. Эта работа, которую некоторые называют «святым Граалем» нанонауки, открывает путь к созданию функциональных материалов с уникальными свойствами на наноуровне, такими как усиленный магнетизм, повышенная каталитическая активность или новые оптические свойства. Исследование будет опубликовано 31 января 2008 года в журнале Nature.

Принцип метода

Метод основан на силе притяжения между комплементарными цепями ДНК. Учёные присоединяют к наночастицам «волосоподобные» отростки ДНК со специфическими последовательностями распознавания. При смешивании в растворе эти последовательности находят друг друга и связываются, соединяя наночастицы.

Ключ к порядку: отжиг и «золотая середина»

Простой связи недостаточно для образования упорядоченных кристаллов. Чтобы добиться этого, учёные использовали «термическую обработку»: нагревали образцы связанных частиц, а затем охлаждали до комнатной температуры. Этот процесс, аналогичный отжигу обычных атомных кристаллов, позволяет частицам разъединяться, перестраиваться и находить более стабильные конфигурации.

Кроме того, команда экспериментировала с гибкостью ДНК, последовательностями распознавания и дизайном цепей, чтобы найти «золотую середину» взаимодействий, при которой возникает стабильная кристаллическая форма.

Свойства и перспективы

Анализ с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния, динамического светорассеяния, спектроскопии и электронной микроскопии подтвердил формирование структур с дальним кристаллическим порядком. Кристаллы получились очень открытыми: наночастицы занимают лишь ~5% объёма решётки, а ДНК — ещё ~5%.

Такая открытая структура оставляет много места для модификаций, например, внедрения других нанообъектов или биомолекул, что может привести к новым применениям. Кристаллы стабильны при повторяющихся циклах нагрева и охлаждения.

Также они демонстрируют исключительную чувствительность к тепловому расширению — в 100 раз выше, чем у обычных материалов, вероятно, из-за чувствительности самой ДНК. Это свойство может быть полезно для управления оптическими и магнитными свойствами, что важно для технологий преобразования и хранения энергии, а также для сенсоров.

Хотя в работе использовались золотые наночастицы в качестве модели, метод применим и к другим частицам. Он может привести к созданию широкого спектра кристаллических фаз с различными 3D-решётками, настроенными под конкретные функции.