Technika może prowadzić do powstania nowych klas materiałów, które mogą wygiąć światło, na przykład w przypadku urządzeń maskujących przy wykorzystaniu metody wykorzystującej DNA, nanocząsteczki i litografię do tworzenia optycznie aktywnych struktur.

Naukowcy z Northwestern University opracowali pierwszą w swoim rodzaju technikę tworzenia całkowicie nowych klas materiałów i urządzeń optycznych, które mogą wprowadzić do lekkich urządzeń do gięcia i maskowania –  jednym słowem nowości, dzięki którym uszy Spocka w Star Trek zyskają na sile.

Wykorzystując DNA jako kluczowe narzędzie, interdyscyplinarny zespół wziął złote nanocząsteczki o różnych rozmiarach i kształtach i ułożył je w dwa i trzy wymiary, tworząc optycznie aktywne super sieci. Struktury o określonych konfiguracjach można zaprogramować poprzez wybór typu cząstek i zarówno wzorca DNA, jak i sekwencji, aby wykazywać prawie dowolny kolor w całym spektrum widzialnym, twierdzą naukowcy.

“Architektura to wszystko, gdy projektujemy nowe materiały, a teraz mamy nowy sposób precyzyjnego sterowania architekturami cząstek na dużych obszarach” – powiedział Chad A. Mirkin, profesor chemii George B. Rathmann we Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern. “Chemicy i fizycy będą w stanie zbudować prawie nieskończoną liczbę nowych struktur o różnych interesujących właściwościach, które nie mogą być wykonane żadną znaną techniką.”

Technika ta łączy w sobie starą metodę wytwarzania – litografię odgórną, tę samą metodę stosowaną do tworzenia chipów komputerowych – z nowym – programowalnym samo-organizującym się przez DNA napędem. Zespół Northwestern jest pierwszym, który połączył oba, aby osiągnąć indywidualną kontrolę cząstek w trzech wymiarach.

Badanie zostało opublikowane online przez czasopismo Science today (18 stycznia 2018). Mirkin i Vinayak P. Dravid i Koray Aydin, obaj profesorowie w McCormick School of Engineering Northwestern, są autorami korespondującymi z sobą.

Naukowcy będą mogli wykorzystać potężną i elastyczną technikę do budowy meta-materiałów – materiałów nie występujących w przyrodzie – dla szeregu zastosowań, w tym czujników do zastosowań medycznych i środowiskowych.

Naukowcy wykorzystali kombinację symulacji numerycznych i technik spektroskopii optycznej do identyfikacji określonych supersieci nanocząstek, które pochłaniają określone długości fal światła widzialnego. Nanocząstki modyfikowane DNA – w tym przypadku złoto – są umieszczone na szablonie wzorowanym na prekursorze wykonanym z komplementarnego DNA. Stosy struktur mogą być wykonane przez wprowadzenie drugiej, a następnie trzeciej cząsteczki zmodyfikowanej DNA z DNA, który jest komplementarny do kolejnych warstw.

Oprócz tego, że są nietypowymi architekturami, materiały te reagują na bodźce: nici DNA, które je łączą, zmieniają swoją długość, gdy są wystawione na nowe środowiska, takie jak roztwory etanolu, które różnią się stężeniem. Zmiana długości DNA, jak ustalili naukowcy, spowodowała zmianę koloru z czarnego na czerwony na zielony, co zapewnia ekstremalną przestrajalność właściwości optycznych.

“Strojenie właściwości optycznych meta-materiałów jest poważnym wyzwaniem, a nasze badania osiągają jeden z najwyższych zakresów strojenia osiągnięty do tej pory w meta-materiałach optycznych” – powiedział Aydin, adiunkt inżynierii elektrycznej i informatyki w McCormick.

“Nasza nowatorska platforma meta-materialna – dzięki precyzyjnej i ekstremalnej kontroli nad złotym nanocząsteczkowym kształtem, rozmiarem i odstępami – jest obiecująca dla meta-materiałów i meta-powierzchni nowej generacji” – powiedział Aydin.

W pracy opisano nowy sposób organizowania nanocząsteczek w dwóch i trzech wymiarach. Naukowcy wykorzystali metody litograficzne do wiercenia niewielkich otworów – tylko o szerokości jednej nanocząstki – w polimerowej masce oporowej, tworząc “klocki lądowania” dla składników nanocząsteczkowych zmodyfikowanych pasmami DNA. Lądowiska są niezbędne, powiedział Mirkin, ponieważ utrzymują struktury, które rosną pionowo.

Nanoskopy lądujące są modyfikowane jedną sekwencją DNA, a nanocząsteczki złota są modyfikowane za pomocą komplementarnego DNA. Poprzez naprzemienne nanocząsteczki z komplementarnym DNA naukowcy zbudowali stosy nanocząstek z ogromną kontrolą pozycyjną i na dużym obszarze. Cząstki mogą mieć różne rozmiary i kształty (na przykład kulki, kostki i dyski).

“Takie podejście może być wykorzystane do budowy okresowych sieci z optycznie aktywnych cząsteczek, takich jak złoto, srebro i wszelkie inne materiały, które można modyfikować za pomocą DNA, z niezwykłą precyzją w nanoskali” – powiedział Mirkin, dyrektor Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii Northwestern.

Dravid przekazał swoją wiedzę i pomógł zaprojektować strategię nanopowlekania i litografii oraz związaną z tym charakterystykę nowych egzotycznych struktur. Jest profesorem inżynierii materiałowej Abrahama Harrisa w McCormick oraz dyrektorem założycielem ośrodka NUANCE, w którym znajduje się zaawansowane wzornictwo, litografia i charakterystyka wykorzystywane w programowanych przez DNA strukturach.

Mirkin jest również profesorem medycyny w Northwestern University Feinberg School of Medicine oraz profesorem inżynierii chemicznej i biologicznej, inżynierii biomedycznej oraz inżynierii materiałowej i inżynierii w McCormick School.

Sukces zgłoszonego programowalnego zestawu DNA wymagał specjalistycznej wiedzy z materiałami hybrydowymi (soft-hard) oraz znakomitymi możliwościami nanopowlekania i litografii, aby osiągnąć wymaganą rozdzielczość przestrzenną, definicję i wierność na dużych obszarach podłoża. Zespół projektu zwrócił się do Dravida, wieloletniego współpracownika Mirkina, który specjalizuje się w nanopowlekaniu, zaawansowanej mikroskopii i charakteryzacji miękkich, twardych i hybrydowych nanostruktur.

Źródło historii:

Materiały dostarczone przez Northwestern University. Oryginał napisany przez Megan Fellman.