En kit Programmable sur des Nano-Architectures À Plusieurs Éléments

par M. Oleg Gang

Nanomaterials de Bande de M. Oleg, d'Amorce de Groupe, Mous et Biologiques, Centre pour les Nanomaterials Fonctionnels, Laboratoire National de Brookhaven
Auteur Correspondant : ogang@bnl.gov

Nanoparticles sont maintenant disponible qui sont attrayant pour un large éventail de matériaux et de dispositifs, mais des méthodes nouvelles de fabrication sont également exigées pour profiter pleinement des propriétés intéressantes de Nanoparticulates.

Les Élans basés sur l'en kit des systèmes de différents composants offrent des avantages énormes de coût et presque une « facilité magique de la fabrication » comparée aux méthodes lithographiques. Les techniques En kit peuvent également aborder les tâches qui sont intrinsèquement provocantes pour la lithographie conventionnelle traitent par exemple la fabrication des architectures ou des structures dimensionnelles de thee contenant les nano-objectifs préfabriqués.

Réciproquement, les méthodes en kit ont type des limitations significatives : elles tiennent compte de la formation des structures relativement simples des composants assimilés, et elles permettent rarement un design rationnel des systèmes. La capacité d'arranger différents nanocomponents dans un système avec une architecture particulière est une condition principale pour activer beaucoup de propriétés fonctionnelles apparaissantes des nanosystems. Est-ce que question, ceci surgit pour cette raison peut être réalisé par l'intermédiaire d'en kit ?

Le Schéma 1. Un concept d'en kit programmable. des Nano-Composants des types variés (lego-cas) sont dirigés par la colle « intelligente », les biomolécules (par exemple, ADN), qui encodent comment les composants agissent l'un sur l'autre, cela mène à la formation de la structure finale.

Une des stratégies prometteuses pour la fabrication des systèmes complexes des composants des types multiples par l'intermédiaire d'en kit est basée sur l'utilisation des biomolécules.

La constitution des biomolécules dans des designs de nano-objectif fournit une opportunité d'attribuer les attractions sélectrices entre les nano-composants variés. Le codage Biomoléculaire détermine les règles qui règlent comment les différents nano-objectifs agissent l'un sur l'autre les uns avec les autres et comment la structure finale apparaît.

Un de la mise en place la plus attrayante de cet élan est basé sur l'utilisation de l'ADN, qui est chimiquement stable et peut être synthétisé par des moyens variés. L'ADN également fournit un niveau élevé du codage et peut être commodément utilisé pour régler des distances d'inter-composant.

L'utilisation de l'ADN pour les applications de nanotechnologie a été frayée un chemin par le groupe de Ned Seeman, qui a exploré l'idée de l'ADN était branché des structures1, ou de soi-disant échafaudages, et par les groupes du Tchad Mirkin et Paul Alivisatos, qui a expliqué que deux types de particules functionalized avec l'ADN complémentaire peuvent s'identifier2.

En Dépit de la clarté apparente du concept bio-programmable, la fabrication des structures bien déterminées des nano-objectifs demeure un défi en raison des interactions associées par charge supplémentaire d'inter-composant, interactions moléculaires variées, géométrique et entropique. En Conséquence, une interaction complexe de phase est anticipée même pour les systèmes relativement simples3.

Plusieurs groupes ont expliqué dans les deux 1-D et 2-D, échafaudages de cet ADN, c.-à-d. des configurations d'ADN avec des sites de reconnaissance, peuvent être employées pour diriger une connexion des particules encodées sur les sites prédéterminés. 4Dans trois cotes cependant, un élan différent est plus pratique, la structure finale avec toutes les informations importantes devrait « être programmé » utilisant des motifs d'ADN fixés aux nano-objectifs.

Le Schéma 2. (Laissé) configuration Sous petit angle de diffusion des rayons X obtenue à partir d'un super-réseau des nanoparticles assemblés avec l'ADN. (Droit) La structure correspondante, fuselage a centré le réseau cubique, constitué par des particules de deux types, contenant l'ADN complémentaire deux ; des distances interparticulaires sont déterminées par ADN.

Une découverte récente a prouvé que certains motifs d'ADN peuvent en effet mener à la formation des structures fortement dispensées - super-réseaux cristallins des nanoparticles avec la commande propageant au-dessus des dizaines ou des centaines de dimensions particulaires5. Le tableau de Phase des assemblages assistés d'ADN vérifiés expérimental prouve que le degré de commande dépend des détails des shell d'ADN, le numéro de l'ADN joignant des particules et la longueur d'ADN6.

Les assemblages cristallins sont thermodynamiquement réversibles et température-réglables, avec les réseaux cubiques centrés (bcc) par fuselage où les particules occupent seulement ~3-5% de la cellule d'ensemble. De Telles structures ouvertes permettent potentiellement la constitution des éléments fonctionnels variés aux emplacements particuliers sur le super-réseau 3D, ainsi que l'opportunité d'exécuter des modifications de poteau-assemblage. Par exemple, si des nanoparticles sont joints dans un super-réseau utilisant un dispositif reconfigurable d'ADN, les distances interparticulaires peuvent être commutées « sur demande »7 utilisant les stimulus moléculaires et les Brins d'ADN simples.

Indépendamment des millions se réunissants de nanoparticles dans les assemblages 3D, il est tout à fait un avantageux de fabriquer les batteries avec précision structurées de plusieurs particules. Quand quelques nanoparticles sont arrangés dans une structure particulière, les propriétés matérielles neuves peuvent apparaître. Nanoparticles sont dans ce cas analogue aux atomes, qui, une fois connecté dans une molécule, souvent des propriétés de document non trouvées dans les différents atomes.

Les méthodes solution-basées Conventionnelles ont type comme conséquence une population grande des multimers des batteries ; en outre, l'efficience de la fabrication est limitée. Une méthode de haut-débit a été récent expliquée pour la fabrication des batteries utilisant les nanoparticles ADN-encodés assemblés sur un support solide par l'intermédiaire de la reconnaissance8. Cet élan permet la construction des batteries de nanoparticle avec un rendement élevé. Suivre cette méthode, des batteries de deux-composant ont été fabriquées des particules d'or et d'argent pour examiner leurs propriétés optiques. Plus de structures complexes contenant plusieurs types de nano-objectifs avec des positions réglées d'inter-objectifs peuvent être assemblées utilisant cet élan.

La Recherche sur en kit programmable des nanosystems promet de porter un paradigme neuf par rapport à la fabrication des matériaux et des dispositifs. Bien Que le progrès important soit évident, plusieurs défis majeurs doivent toujours être compris et résolus : (i) comment équilibrer des interactions biologiques sélectrices et des facteurs matériels non sélectifs ; (ii) comment programmer une structure globale d'un système utilisant des techniques de codage pour différents composants ; (iii) comment mettre en application de correction d'erreurs dans le procédé en kit.

 


Références

1. Seeman, N.C. DNA dans un monde matériel. Nature 421, 427-431 (2003)
2. C.A. Mirkin, R.L. Letsinger, R.C. Mucic, et J.J. Storhoff, « Une méthode ADN-basée pour assembler rationnellement des nanoparticles Nature 382, 607 dans matériaux macroscopiques » (1996) ; A.P. Alivisatos, K.P. Johnsson, X.G. Peng, T.E. Wilson, C.J. Loweth, M.P. Bruchez, et P.G. Schultz, « Organisme « molécules nanocrystal Nature 382, 609 utilisant ADN de la » (1996).
3. A.V. Tkachenko, « diversité Morphologique » de la Révision Matérielle en kit ADN-colloïdale Marque Avec Des Lettres 89, 148303 (2002)
4. Y.Y. Pinto, J.D. Le, N.C. Seeman, K. Musier-Forsyth, T.A. Taton, et R.A. Kiehl, « Séquence-A Encodé en kit des alignements multiples-nanocomponent les Lettres 5, 2399 de Nano par 2D échafaudage d'ADN » (2005) ; Zhang, J.P., Liu, Y., le KE, Y.G. et Yan, alignements carré carré de nanoparticle d'or de H. Periodic templated par les 2D nanogrids auto-assemblés d'ADN sur une surface. Lett Nano. 6, 248_251 (2006) ; Deng, Z.X., Tian, Y., Lee, S.H., Ribbe, A.E. et Mao, C.D. ADN-ont encodé en kit des nanoparticles d'or dans des alignements unidimensionnels. Angew. Chim. International. Ed. 44, 3582 (2005)
5. D. Nykypanchuk, M.M. Maye, D. van der Lelie, et O. Gang, « ADN-ont guidé la cristallisation des nanoparticles colloïdaux », la Nature 451, 549 (2008) ; S.Y. Park, A.K.R. Lytton-Jean, B. Lee, S. Weigand, G.C. Schatz, C.A. Mirkin, « Cristallisation ADN-Programmable de Nanoparticle, » Nature 451, 553 (2008)
6. H.M. Xiong, D. van der Lelie, et O. Gang, « Comportement de Phase de Nanoparticles Se Sont Réunis par des Éditeurs De Liens d'ADN », Révision Matérielle Marque Avec Des Lettres 102, 015504 (2009).
7. M.M. Maye, D. Nykypanchuk, M. Cusiner, D. van der Lelie, et O. Gang, « codage extérieur Par Étapes pour l'assemblage de haut-débit des nanoclusters », Matériaux de Nature, 8, 388 (2009)
8. M.M. Maye, K. Mudalidge, D. Nykypanchuk, W. Sherman, et Super-réseaux Moléculairement Permutables et Batteries de Nanoparticle d'O. Gang « avec les Conditions Binaires », Nanotechnologie de Nature, DOI : 10.1038/nnano.2009.378

Droit d'auteur AZoNano.com, M. Oleg Gang (Laboratoire National de Brookhaven)

Date Added: Apr 18, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:20

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