Röntgenstrahlen helfen Wissenschaftlern, Designer-DNA zu nutzen, um neue Materialformen zu entdecken

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Northwestern University und der University of Michigan hat eine neue Methode zum Zusammenbau von Partikeln zu kolloidalen Kristallen entwickelt, einer wertvollen Art von Material, das für chemische und biologische Sensoren und Lichterkennungsgeräte verwendet wird. Mit dieser Methode hat das Team erstmals gezeigt, wie diese Kristalle auf eine Weise gestaltet werden können, die in der Natur nicht zu finden ist.

Das Team nutzte die Advanced Photon Source (APS), eine Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) am Argonne National Laboratory des DOE, um ihre entscheidende Entdeckung zu bestätigen.

„Ein starker Röntgenstrahl ermöglicht die hochauflösenden Messungen, die Sie zur Untersuchung dieser Art von Anordnung benötigen. Das APS ist eine ideale Einrichtung, um diese Forschung durchzuführen“, bemerkte Byeongdu Lee vom Argonne National Laboratory.

„Wir haben etwas Grundlegendes über das System zur Herstellung neuer Materialien entdeckt“, sagte Chad A. Mirkin, der George B. Rathmann-Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. „Diese Strategie zur Symmetriebrechung schreibt die Regeln für Materialdesign und -synthese neu.“

Die Forschung wurde von Mirkin und Sharon C. Glotzer, dem Anthony C. Lembke-Lehrstuhl für Chemieingenieurwesen an der University of Michigan, geleitet und in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.

Kolloidale Kristalle sind sehr kleine Partikel, in denen andere, kleinere Partikel (sogenannte Nanopartikel) geordnet oder symmetrisch angeordnet sind. Sie können für Anwendungen von Lichtsensoren und Lasern bis hin zu Kommunikation und Computern entwickelt werden. Für diese Forschung versuchten Wissenschaftler, die natürliche Symmetrie der Natur zu brechen, die dazu neigt, winzige Partikel auf die symmetrischste Weise anzuordnen.

„Stellen Sie sich vor, Sie stapeln Basketbälle in einer Kiste“, sagte Byeongdu Lee von Argonne, Gruppenleiter bei der APS und Autor der Zeitung. „Man hätte eine bestimmte Methode, um den Raum optimal zu nutzen. So macht es die Natur.“

Lee sagt jedoch, wenn die Bälle in gewisser Weise entleert sind, können Sie sie in einem anderen Muster stapeln. Das Forschungsteam, sagte er, versuche das Gleiche mit Nanomaterialien und bringe ihnen bei, sich selbst zu neuen Mustern zusammenzusetzen.

Für diese Forschung verwendeten Wissenschaftler DNA, das Molekül in Zellen, das genetische Informationen trägt. Wissenschaftler haben genug über DNA gelernt, um sie so programmieren zu können, dass sie bestimmten Anweisungen folgt. Dieses Forschungsteam verwendete DNA, um Metallnanopartikeln beizubringen, sich zu neuen Konfigurationen zusammenzusetzen. Die Forscher befestigten DNA-Moleküle an den Oberflächen von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und stellten fest, dass sich die kleineren Partikel in den Lücken zwischen ihnen um die größeren bewegten, während sie die Partikel immer noch zu einem neuen Material zusammenhielten.

„Die Verwendung großer und kleiner Nanopartikel, bei denen sich die kleineren wie Elektronen in einem Kristall aus Metallatomen bewegen, ist ein ganz neuer Ansatz zum Aufbau komplexer kolloidaler Kristallstrukturen“, sagte Glotzer.

Durch die Anpassung dieser DNA veränderten die Wissenschaftler die Parameter der kleinen elektronenäquivalenten Teilchen und veränderten dadurch die resultierenden Kristalle.

„Wir haben komplexere Strukturen untersucht, bei denen die Kontrolle über die Anzahl der Nachbarn um jedes Teilchen herum zu weiteren Symmetriebrüchen führte“, sagte Glotzer. „Unsere Computersimulationen halfen dabei, die komplizierten Muster zu entschlüsseln und die Mechanismen aufzudecken, die es den Nanopartikeln ermöglichten, sie zu erzeugen.“

Dieser Ansatz bereitete die Voraussetzungen für drei neue, noch nie zuvor synthetisierte kristalline Phasen, von denen eine kein bekanntes natürliches Äquivalent hat.

„Kolloidale Partikelanordnungen haben immer eine Analogie zum natürlichen Atomsystem“, sagte Lee. „Dieses Mal ist die Struktur, die wir gefunden haben, völlig neu. Die Art und Weise, wie sie sich zusammensetzt, haben wir nicht gesehen, wie sich Metalle, Metalllegierungen oder andere Materialien auf natürliche Weise selbst zusammenfügen.“

„Wir kennen die physikalischen Eigenschaften des Materials noch nicht“, sagte Lee. „Jetzt übergeben wir es den Materialwissenschaftlern, um dieses Material zu erstellen und zu untersuchen.“

Das Team nutzte die ultrahellen Röntgenstrahlen des APS, um die neue Struktur ihrer Kristalle zu bestätigen. Sie verwendeten die hochauflösenden Kleinwinkel-Röntgenstreuinstrumente an den Strahllinien 5-ID und 12-ID, um präzise Bilder der von ihnen erzeugten Anordnung der Partikel zu erstellen.

„Ein starker Röntgenstrahl ermöglicht die hochauflösenden Messungen, die Sie benötigen, um diese Art von Baugruppe zu untersuchen“, sagte Lee. „Die APS ist eine ideale Einrichtung, um diese Forschung durchzuführen.“

Das APS wird derzeit einer massiven Aufrüstung unterzogen, die laut Lee Wissenschaftlern ermöglichen wird, in Zukunft noch komplexere Strukturen zu bestimmen. Die Instrumente bei 12-ID werden ebenfalls aufgerüstet, um die helleren Röntgenstrahlen, die verfügbar sein werden, voll auszunutzen.

Diese kolloidalen Kristalle mit niedriger Symmetrie haben optische Eigenschaften, die mit anderen Kristallstrukturen nicht erreicht werden können, und können in einer Vielzahl von Technologien Verwendung finden. Ihre katalytischen Eigenschaften sind ebenfalls unterschiedlich. Aber die hier enthüllten neuen Strukturen sind nur der Anfang der Möglichkeiten, jetzt, wo die Bedingungen für das Brechen der Symmetrie verstanden werden.

„Wir befinden uns mitten in einer beispiellosen Ära der Materialsynthese und -entdeckung“, sagte Mirkin. „Dies ist ein weiterer Schritt nach vorne, um neue, unerforschte Materialien aus dem Skizzenbuch heraus und in Anwendungen zu bringen, die ihre seltenen und ungewöhnlichen Eigenschaften nutzen können.“