Forscher der Northwestern University haben einen bedeutenden Fortschritt bei der Herstellung exotischer Übergitter mit offenem Gerüst aus hohlen Metallnanopartikeln gemacht.
Unter Verwendung winziger hohler Partikel, die als metallische Nanoframes bezeichnet werden, und deren Modifizierung mit geeigneten DNA-Sequenzen stellte das Team fest, dass sie Übergitter mit offenen Kanälen mit Poren von 10 bis 1.000 Nanometern Größe synthetisieren konnten – Größen, die bisher schwer zugänglich waren. Diese neu entdeckte Kontrolle über die Porosität wird es Forschern ermöglichen, diese kolloidalen Kristalle in molekularer Absorption und Speicherung, Trennungen, chemischer Sensorik, Katalyse und vielen optischen Anwendungen einzusetzen.
Die neue Studie identifiziert 12 einzigartige poröse Nanopartikel-Übergitter mit Kontrolle über Symmetrie, Geometrie und Porenkonnektivität, um die Verallgemeinerbarkeit neuer Designregeln als Weg zur Herstellung neuartiger Materialien hervorzuheben.
Das Papier wurde heute (26. Oktober) in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Chad A. Mirkin, George B. Rathmann-Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern und Direktor des International Institute for Nanotechnology, sagte, dass die neuen Erkenntnisse weitreichende Auswirkungen auf die Nanotechnologie und darüber hinaus haben werden.
„Wir mussten überdenken, was wir über die DNA-Bindung mit kolloidalen Partikeln wussten“, sagte Mirkin, der die Forschung leitete. „Bei diesen neuen Arten von hohlen Nanokristallen waren die bestehenden Regeln für das Kristall-Engineering nicht ausreichend. Die durch ‚Edge-Bonding‘ angetriebene Nanopartikel-Anordnung ermöglicht uns den Zugang zu einer Breite von kristallinen Strukturen, auf die wir durch herkömmliches ‚Face-Bonding‘ keinen Zugriff haben“, so der Forscher traditionelle Art und Weise, wie wir in diesem Bereich von Strukturbildung denken. Diese neuen Strukturen führen sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technologischer Sicht zu neuen Möglichkeiten.“
Mirkin ist führend auf dem Gebiet der Nanochemie und Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen, Biomedizintechnik sowie Materialwissenschaften und -technik an der McCormick School of Engineering und Professor für Medizin an der Northwestern University Feinberg School of Medicine.
Mirkins Team nutzt seit über zwei Jahrzehnten die Programmierbarkeit von DNA, um Kristalle mit ungewöhnlichen und nützlichen Eigenschaften zu synthetisieren; Die Erweiterung des Konzepts auf Hohlpartikel ist ein großer Schritt in Richtung eines universelleren Ansatzes zum Verständnis und zur Kontrolle der Bildung kolloidaler Kristalle.
Die Natur verwendet kolloidale Kristalle, um die Farben von Organismen zu kontrollieren, darunter Schmetterlingsflügel und die veränderliche Farbe in der Haut eines Chamäleons. Mirkins im Labor erzeugte Strukturen – insbesondere die porösen, durch die Moleküle, Materialien und sogar Licht wandern können – werden Wissenschaftler und Ingenieure herausfordern, daraus neue Geräte zu entwickeln.
Vinayak Dravid, Abraham-Harris-Professor für Materialwissenschaft und -technik in McCormick und Autor des Artikels, fügte hinzu, dass viele industrielle chemische Prozesse auf Zeolithen beruhen, einer anderen Klasse synthetischer poröser Materialien.
„Es gibt viele Einschränkungen für Zeolithe, weil diese durch physikalische Regeln hergestellt werden, die die Optionen einschränken“, sagte Dravid. „Aber wenn DNA als Bindung verwendet wird, ermöglicht sie eine größere Vielfalt an Strukturen und eine viel größere Vielfalt an Porengrößen und damit eine Vielzahl von Eigenschaften.“
Die Fähigkeit, die Porengröße und die Verbindungen zwischen den Poren zu steuern, eröffnet eine Reihe potenzieller Verwendungen. Beispielsweise zeigen die Autoren, dass poröse Übergitter ein interessantes optisches Verhalten aufweisen, das als negativer Brechungsindex bezeichnet wird und in der Natur nicht vorkommt und nur mit technischen Materialien zugänglich ist.
„In dieser Arbeit haben wir entdeckt, wie Open-Channel-Übergitter neue Arten von optischen Metamaterialien sein können, die einen negativen Brechungsindex ermöglichen“, sagte Koray Aydin, ebenfalls Autor des Papiers und außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik in McCormick . „Solche Metamaterialien ermöglichen spannende Anwendungen wie Tarnung und Superlinsen, die Abbildung von superkleinen Objekten mit der Mikroskopie.“
Die Forscher arbeiten weiterhin zusammen, um die Arbeit voranzutreiben.
„Wir müssen diese neuen Designregeln auf nanoporöse Metallstrukturen anwenden, die aus anderen Metallen wie Aluminium bestehen, und wir müssen den Prozess skalieren“, sagte Mirkin. „Diese praktischen Überlegungen sind im Zusammenhang mit optischen Hochleistungsgeräten sehr wichtig. Ein solcher Fortschritt könnte wirklich transformativ sein.“
Yuanwei Li et al., Offenkanal-Metallpartikel-Übergitter, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05291-y