Инженерные фазовые переходы в массивах наночастиц

Учёные из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США сделали большой шаг к созданию динамических наноматериалов, структуру и свойства которых можно переключать по требованию. В статье в Nature Materials они описывают метод избирательной перестройки наночастиц в трёхмерных массивах для получения разных конфигураций (фаз) из одних и тех же нанокомпонентов.

Одна из целей — создавать структуры по дизайну, а не только статические, — говорит Олег Ганг, руководитель работы в Центре функциональных наноматериалов (CFN). — Мы стремимся к материалам, которые могут трансформироваться, чтобы использовать свойства, возникающие при перестройке частиц.

Возможность управлять перестройкой частиц (фазовыми переходами) позволит выбирать желаемые свойства (например, отклик на свет или магнитное поле) и переключать их. Такие материалы могут привести к новым применениям, таким как динамическое получение энергии или адаптивные оптические материалы.

Перестройка, направляемая ДНК

Метод основан на предыдущей работе команды по самоорганизации наночастиц в сложные массивы с помощью тетеров из комплементарных цепочек синтетической ДНК. В новом подходе учёные начали с массива частиц, уже связанных регулярной решёткой ДНК-тетерами, и добавили «перепрограммирующие» цепочки ДНК, чтобы изменить взаимодействия между частицами.

Мы знаем, что свойства материалов из наночастиц сильно зависят от их расположения, — говорит Ганг. — Новый подход позволяет достичь глобальной реорганизации всей уже построенной структуры.

Добавленные цепочки ДНК присоединяются к открытым сайтам связывания на собранных наночастицах и создают дополнительные силы. Изменяя эти оболочки, можно избирательно менять взаимодействия частиц, увеличивая как притяжение, так и отталкивание или только одно из них. Эти новые ограничения заставляют частицы перестраиваться в новую структурную организацию.

Команда показала, что может переключать исходный массив («материнскую» фазу) в несколько разных дочерних фаз с точным контролем. Это отличается от фазовых переходов, вызванных внешними условиями (давлением, температурой), которые обычно дают один или последовательные сдвиги.

Наш метод позволяет выбрать, какую дочернюю фазу мы хотим, и перейти прямо к ней, потому что фаза полностью определяется типом используемых нами перепрограммирующих цепочек ДНК, — объясняет Ганг.

Учёные наблюдали структурные превращения с помощью метода малоуглового рентгеновского рассеяния in situ на Национальном источнике синхротронного излучения (NSLS). Компьютерное моделирование того, как разные типы цепочек ДНК изменяют взаимодействия, хорошо согласовалось с экспериментальными наблюдениями.

Возможность динамически переключать фазу всей сверхрешётки позволит создавать перепрограммируемые материалы, в которых по требованию можно активировать несколько различных функций, — заключает Ганг. — Наши эксперименты и теоретический анализ подтверждают, что перепрограммирование ДНК-опосредованных взаимодействий между наночастицами — жизнеспособный путь для достижения этой цели.