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Programmazione di materiali avanzati
Nel 1996, gli scienziati dell'IBM e della Northwestern University hanno utilizzato il DNA a singolo filamento come se fosse un velcro molecolare per programmare l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in strutture semplici. Il lavoro ha contribuito a lanciare l'allora nascente campo delle nanotecnologie suggerendo la possibilità di costruire nuovi materiali partendo dal basso. Dodici anni dopo, i ricercatori del Northwestern e del Brookhaven National Laboratory riportano separatamente sulla rivista Natura che hanno finalmente mantenuto quella promessa, utilizzando i linker del DNA per trasformare le nanoparticelle in cristalli perfetti contenenti fino a un milione di particelle.
Nano ordine ordinato: Le sequenze di DNA attaccate alle nanoparticelle d'oro (immagine in alto) programmano l'autoassemblaggio delle particelle in nuovi cristalli (immagine in basso). La diffrazione dei raggi X conferma che i cristalli, in parte schiacciati dalla microscopia elettronica che ha prodotto queste immagini, sono reticoli perfetti di decine di migliaia di particelle.
Le strutture di cristallo sono progettate deliberatamente, afferma Northwestern's Chad Mirkin , uno degli scienziati dei materiali che ha aperto la strada al collegamento del DNA negli anni '90 e coautore di uno dei rapporti odierni. Questo è un nuovo modo di fare le cose.
David Stroud, fisico della Ohio State University chiama il lavoro piuttosto prezioso. Egli prevede che la svolta consentirà l'assemblaggio di nuovi materiali con nuove proprietà ottiche, elettroniche o magnetiche che, fino ad ora, sono esistite solo nelle menti e nei modelli degli scienziati dei materiali. Anche ora sono sorpreso che potrebbero farlo, dice Stroud.
Finora, gli sforzi per l'autoassemblaggio programmato delle nanoparticelle in tre dimensioni hanno prodotto per lo più grumi disordinati. Questi grumi possono avere valore; infatti, la startup di Mirkin NanoSphere ha utilizzato la tecnologia per sviluppare la diagnostica medica che ha ottenuto l'approvazione dalla Food and Drug Administration.
Ma i materiali più complessi ed esotici immaginati da Stroud e altri richiedono strutture ordinate. Il problema, dice Stroud, è che le nanoparticelle sono immense rispetto agli atomi che formano la maggior parte dei cristalli. Di conseguenza, le nanoparticelle si muovono relativamente lentamente, specialmente con i filamenti di DNA attaccati. Quando vengono raffreddate per consentire ai filamenti complementari di DNA di collegarsi, le nanoparticelle tendono a congelarsi in una disposizione disordinata prima che possano trovare la loro strada verso il reticolo ordinato di un cristallo.
Gli autori dei nuovi rapporti, un team della Northwestern guidato da Mirkin e dal chimico George Schatz, e il team del fisico Oleg Gang in Centro dei materiali funzionali del Brookhaven National Laboratory , a Upton, New York, ha superato la lentezza delle particelle utilizzando filamenti di DNA più lunghi che conferiscono alle particelle maggiore flessibilità durante la formazione dei cristalli. In genere, pensiamo che la cristallinità richieda strutture molto rigide, quindi si potrebbe immaginare che sia necessario avere un guscio di DNA molto rigido sulle particelle per avere buoni cristalli, afferma Gang. In realtà, è il contrario.
Mentre i dettagli dei sistemi Northwestern e Brookhaven differiscono, entrambi riempiono i loro filamenti di DNA con sequenze che agiscono come distanziatori e flessori, oltre a sequenze complementari alle estremità del DNA che legano le particelle insieme. I gruppi iniziano legando uno dei due tipi di DNA alle nanoparticelle d'oro. I tipi di DNA sono complementari tra loro. Questi due pool di particelle modificate vengono quindi miscelati e raffreddati. I filamenti di DNA con DNA complementare formano una doppia elica, legando insieme le rispettive nanoparticelle, mentre i filamenti di DNA identici agiscono come molle per respingere le rispettive particelle. I distanziatori su ciascun filamento di DNA, nel frattempo, consentono alle particelle legate di torcersi e piegarsi in modo che ogni particella nella miscela possa legare il maggior numero di particelle complementari.
Il risultato è esattamente quello previsto dalla teoria: un reticolo cristallino in cui ogni particella di un tipo è circondata da otto delle altre che segnano gli angoli di un cubo. Il gruppo di Mirkin ha inoltre dimostrato che la modifica della temperatura e delle sequenze del DNA potrebbe spingere lo stesso mix di particelle per formare una struttura cristallina distinta in cui ogni particella ha 12 vicini.
Mirkin dice che lui e la sua squadra hanno appena iniziato. Per me, è davvero solo l'inizio piuttosto che la fine, dice. Negli ultimi tre anni, il gruppo di Mirkin ha dimostrato metodi per posizionare diversi linker del DNA su diverse facce di particelle non sferiche, come prismi triangolari e particelle virali. Ciò, afferma, dovrebbe consentire la programmazione di materiali più complessi con schemi ripetuti di tre o più componenti. La possibilità davvero intrigante qui è la possibilità di programmare la formazione di qualunque struttura che vuoi, dice Mirkin.
Stroud afferma che le strutture già prodotte saranno utili poiché l'assemblaggio programmato dal DNA viene esteso a particelle diverse dall'oro. Le applicazioni potrebbero includere i cristalli fotonici, in cui la periodicità precisa delle particelle può sintonizzare i materiali complessivi per manipolare specifiche lunghezze d'onda della luce, e il fotovoltaico che cattura una gamma più ampia dello spettro solare.
Le strutture sono altamente porose: 10% di particelle e DNA e 90% di acqua. Ciò potrebbe ostacolare le applicazioni in cui l'acqua è indesiderabile. Scarica l'acqua e i cristalli collassano. Gang dice che si potrebbero stabilizzare i cristalli riempiendo il reticolo con un polimero, ma sta anche esplorando schemi di stabilizzazione alternativi che conserverebbero lo spazio aperto del reticolo.