Инженерные квазикристаллы из коллоидных наночастиц с помощью ДНК
Исследователи из группы Миркина в Международном институте нанотехнологий Северо-Западного университета совместно с Мичиганским университетом и Центром кооперативных исследований в области биоматериалов CIC biomaGUNE разработали новую методологию создания коллоидных квазикристаллов с использованием строительных блоков, модифицированных ДНК. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Квазикристаллы, характеризующиеся упорядоченными, но не повторяющимися паттернами, долгое время ставили ученых в тупик. «Существование квазикристаллов было загадкой на протяжении десятилетий, и их открытие было по праву удостоено Нобелевской премии», — сказал ведущий исследователь Чад Миркин.
В центре исследования была сборка декаэдрических наночастиц (НЧ) — частиц с 10 гранями — с использованием ДНК в качестве направляющего каркаса. Комбинация компьютерного моделирования и экспериментов показала, что эти декаэдрические НЧ могут формировать квазикристаллические структуры с пяти- и шестикоординированными мотивами, в итоге создавая додекагональный квазикристалл (DDQC).
«Декаэдрические наночастицы обладают характерной пятикратной симметрией, которая бросает вызов нормам обычной периодической укладки. Используя программируемые возможности ДНК, мы смогли направить сборку этих наночастиц в стабильную квазикристаллическую структуру», — пояснил Миркин.
Исследователи функционализировали декаэдрические золотые наночастицы короткой двуцепочечной ДНК и применили точно контролируемый процесс охлаждения для облегчения сборки. Полученные квазикристаллические сверхрешетки продемонстрировали квазипериодический порядок среднего радиуса действия. Структурный анализ подтвердил наличие двенадцатикратной симметрии и характерного паттерна укладки треугольников и квадратов — отличительных черт DDQC.
«Интересно, что моделирование показало: в отличие от большинства аксиальных квазикристаллов, узор укладки слоев в декаэдрическом квазикристалле не повторяется идентично от слоя к слою. Вместо этого значительный процент плиток различается случайным образом. Эта случайность создает беспорядок, который помогает стабилизировать кристалл», — сказала Шарон Глоцер, соавтор исследования.
«Успешно создав коллоидные квазикристаллы, мы достигли значительной вехи в области нанонауки. Наша работа не только проливает свет на дизайн и создание сложных наноструктур, но и открывает мир возможностей для передовых материалов и инновационных применений в нанотехнологиях», — сказал Луис Лис-Марсан, старший соавтор исследования.