Учёные используют наноблоки и ДНК-«клей» для создания 3D-суперрешёток
Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США создали трёхмерные «суперрешётки» из наночастиц разной формы, используя молекулы-линкеры из комплементарных цепочек ДНК. Метод преодолевает естественную тенденцию частиц разной формы разделяться при упаковке. Результаты, опубликованные в Nature Communications, — важный шаг к созданию предсказуемых композитных материалов для катализа, энергетических технологий и медицины.
Новый подход к сборке
Исследование основано на предыдущем опыте команды по связыванию наночастиц с помощью синтетических цепочек ДНК. Комплементарные основания (G–C, T–A) обеспечивают специфическое связывание. В новой работе форма частиц используется для контроля направленности взаимодействий и достижения дальнего порядка в крупных сборках.
Принцип работы
Вместо сферических частиц с ДНК-линкерами в строго заданных местах учёные использовали нанокубы с ДНК-«усами» на всех шести гранях. При смешивании с наносферами аналогичного размера, покрытыми комплементарными линкерами, ДНК-«клей» предотвратил их разделение:
- Сферы притягиваются к кубам (взаимно).
- Сферы не притягиваются к сферам.
- Кубы не притягиваются к кубам.
В результате система самоорганизуется в чередующийся массив, где каждый куб окружён шестью сферами (по одной на грань), а каждая сфера — шестью кубами. Использование октаэдрических блоков вместо кубов привело к другой структуре, где одна сфера связывается с каждой из восьми треугольных граней.
Ключевые условия
- Термическая обработка — необходима для достижения максимально однородного дальнего порядка.
- Гибкость ДНК-цепочек — критически важна для соединения частиц разной формы. Гибкие ДНК-оболочки «смягчают» частицы, позволяя им встраиваться в решётку, даже если формы не совпадают геометрически. Однако чрезмерная гибкость нарушает структуру.
Методы анализа
Для изучения структуры использовались:
- Просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия в Центре функциональных наноматериалов (CFN).
- Рентгеновское рассеяние в Национальном источнике синхротронного излучения (NSLS).
- Теоретические модели, основанные на оценке наноразмерных взаимодействий.
Перспективы
Подход не зависит от конкретного материала частиц и допускает использование большого разнообразия форм, что открывает потенциал для создания множества новых типов наноматериалов.