Utilizando hebras agrupadas de ADN para construir jaulas tetraédricas tipo Tinkertoy, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han ideado una forma de atrapar y organizar las nanopartículas de una manera que imita la estructura cristalina del diamante. El logro de este complejoacuerdo elegante, como se describe en un artículo publicado el 5 de febrero de 2016 en ciencia , puede abrir un camino hacia nuevos materiales que aprovechan las propiedades ópticas y mecánicas de esta estructura cristalina para aplicaciones como transistores ópticos, materiales que cambian de color y materiales ligeros pero resistentes.
"Resolvimos un desafío de 25 años en la construcción de redes de diamantes de manera racional a través del autoensamblaje", dijo Oleg Gang, físico que dirigió esta investigación en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN en Brookhaven Lab en colaboración con científicosde la Universidad Stony Brook, la Universidad Wesleyan y la Universidad Nagoya en Japón.
Los científicos emplearon una técnica desarrollada por Gang que utiliza ADN fabricado como material de construcción para organizar las nanopartículas en disposiciones espaciales en 3D. Usaron haces de ADN de doble hélice en forma de cuerda para crear marcos rígidos tridimensionales y agregaron pedazos colgantes de una sola pieza.ADN trenzado para unir partículas recubiertas con cadenas de ADN complementarias.
"Estamos utilizando construcciones de ADN de forma precisa hechas como un andamio y ataduras de ADN monocatenario como un pegamento programable que une las partículas de acuerdo con el mecanismo de emparejamiento del código genético: A se une con T, G se une con C"dijo Wenyan Liu del CFN, el autor principal del artículo: "Estas construcciones moleculares son bloques de construcción para crear redes cristalinas hechas de nanopartículas".
La dificultad del diamante
Como explicó Liu, "La construcción de superredes de diamante a partir de partículas de nano y microescala mediante autoensamblaje ha resultado notablemente difícil. Desafía nuestra capacidad de manipular la materia a pequeña escala".
Las razones de esta dificultad incluyen características estructurales como una fracción de empaquetamiento baja, lo que significa que en una red de diamante, en contraste con muchas otras estructuras cristalinas, las partículas ocupan solo una pequeña parte del volumen de la red y una fuerte sensibilidad a la forma en que se unelas partículas están orientadas. "Todo debe encajar de la misma manera sin ningún cambio o rotación de las posiciones de las partículas", dijo Gang. "Dado que la estructura del diamante es muy abierta, muchas cosas pueden salir mal, lo que lleva al desorden".
"Incluso construir estas estructuras una por una sería un desafío", agregó Liu, "y necesitábamos hacerlo por autoensamblaje porque no hay forma de manipular miles de millones de nanopartículas una por una".
El éxito anterior de Gang usando ADN para construir una amplia gama de matrices de nanopartículas sugirió que un enfoque basado en ADN podría funcionar en este caso.
ensamblaje de guías de ADN
El equipo usó por primera vez los paquetes de ADN en forma de cuerda para construir "jaulas" tetraédricas, un objeto 3D con cuatro caras triangulares. Agregaron cadenas de ADN monocatenarias que apuntaban hacia el interior de las jaulas usando secuencias T, G, C, A que coincidíancon correas complementarias unidas a las nanopartículas de oro. Cuando se mezclan en solución, las correas complementarias se combinan para "atrapar" una nanopartícula de oro dentro de cada jaula de tetraedro.
La disposición de las nanopartículas de oro fuera de las jaulas fue guiada por un conjunto diferente de correas de ADN unidas a los vértices de los tetraedros. Cada conjunto de vértices unidos con correas de ADN complementarias unidas a un segundo conjunto de nanopartículas de oro.
Cuando se mezclaron y recocieron, las matrices tetraédricas formaron superredes con un orden de largo alcance donde las posiciones de las nanopartículas de oro imitan la disposición de los átomos de carbono en una red de diamante, pero a una escala aproximadamente 100 veces mayor.
"Aunque este escenario de ensamblaje puede parecer irremediablemente ilimitado, demostramos experimentalmente que nuestro enfoque conduce al entramado de diamantes deseado, racionalizando drásticamente el ensamblaje de una estructura tan compleja", dijo Gang.
La prueba está en las imágenes. Los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión criogénica cryo-TEM para verificar la formación de marcos tetraédricos mediante la reconstrucción de su forma 3D a partir de múltiples imágenes. Luego utilizaron la dispersión de rayos X de ángulo pequeño in situSAXS en la Fuente de luz nacional de sincrotrón NSLS http://www.bnl.gov/ps/ , y microscopía electrónica de transmisión de exploración criogénica cryo-STEM en el CFN, para obtener imágenes de las matrices de nanopartículas en la red completamente construida.
"Nuestro enfoque se basa en la autoorganización de los vértices romos de forma triangular de los tetraedros llamados 'huellas' en partículas esféricas isotrópicas. Estas huellas triangulares se unen a partículas esféricas recubiertas con ADN complementario, lo que permite que las partículas se coordinensu disposición en el espacio entre sí. Sin embargo, las huellas pueden organizarse en una variedad de patrones en una esfera. Resulta que una ubicación particular es más favorable, y corresponde a la ubicación 3D única de partículas que bloquea la red de diamantes.", Dijo Gang.
El equipo apoyó su interpretación de los resultados experimentales utilizando modelos teóricos que proporcionaron información sobre los principales factores que impulsan la formación exitosa de redes de diamantes.
implicaciones brillantes
"Este trabajo lleva a la nanoescala la complejidad cristalográfica que se ve en los sistemas atómicos", dijo Gang, quien señaló que el método puede expandirse fácilmente para organizar partículas de diferentes composiciones de materiales. El grupo ha demostrado previamente que los métodos de ensamblaje de ADN pueden seraplicado a nanopartículas ópticas, magnéticas y catalíticas también, y probablemente producirá los novedosos materiales ópticos y mecánicos que los científicos han imaginado.
"Hemos demostrado un nuevo paradigma para crear estructuras complejas ordenadas en 3D a través del autoensamblaje. Si puede construir esta red desafiante, la idea es que puede construir potencialmente una variedad de redes deseadas", dijo.
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE. CFN y NSLS son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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