Auto-Assembly Programmabile sulle Nano-Architetture A Più Componenti

da Dott. Oleg Gang

Nanomaterials Molli e Biologici del Gruppo di Dott. Oleg, della Guida del Gruppo, Centro per i Nanomaterials Funzionali, Laboratorio Nazionale di Brookhaven
Autore Corrispondente: ogang@bnl.gov

Le Nanoparticelle ora sono disponibili che sono attraenti per una vasta gamma di materiali e di unità, ma i metodi novelli di montaggio egualmente sono richiesti per trar massimo vantaggio dai beni interessanti di Nanoparticulates.

Gli Approcci basati sull'auto-assembly dei sistemi dalle diverse componenti offrono i vantaggi tremendi di costo e quasi “una facilità magica della lavorazione„ confrontata ai metodi litografici. le tecniche dell'Auto-Assembly possono anche indirizzare le mansioni che sono intrinsecamente provocatorie per la litografia convenzionale elaborano per esempio la lavorazione delle architetture o delle strutture dimensionali di thee che contengono gli nano-oggetti prefabbricati.

Per Contro, i metodi dell'auto-assembly presentano tipicamente le limitazioni significative: tengono conto la formazione di strutture relativamente semplici dalle simili componenti e permettono raramente una progettazione razionale dei sistemi. La capacità di sistemare i nanocomponents differenti in un sistema con un'architettura specifica è un requisito chiave del permettere a molti beni funzionali emergenti dei nanosystems. La domanda quindi sorge, può questo essere raggiunto tramite auto-assembly?

Figura 1. Un concetto di auto-assembly programmabile. le Nano-Componenti di vari tipi (lego-blocchi) sono dirette da colla “astuta„, biomolecole (per esempio, DNA), che codificano come le componenti interagiscono, quello piombo a formazione di struttura definitiva.

Una delle strategie di promessa per la lavorazione dei sistemi complessi dalle componenti dei tipi multipli tramite auto-assembly è basata sull'uso delle biomolecole.

L'incorporazione delle biomolecole nelle progettazioni dell'nano-oggetto fornisce un'opportunità di definire le attrazioni selettive fra le varie nano-componenti. La codifica Biomolecolare stabilisce le norme che regolamentano come gli nano-oggetti differenti interagiscono a vicenda e come la struttura definitiva compare.

Uno dell'implementazione più attraente di questo approccio è basato sull'uso di DNA, che è chimicamente stabile e può essere sintetizzato attraverso i vari mezzi. Il DNA egualmente fornisce un alto livello di codifica e può essere usato convenientemente per regolare le distanze della inter componente.

L'uso di DNA per le applicazioni di nanotecnologia è stato aperto la strada a dal gruppo di Ned Seeman, che ha esplorato l'idea di DNA si è ramificato strutture1, o cosiddette impalcature e dai gruppi di Repubblica Del Chad Mirkin e da Paul Alivisatos, che ha dimostrato che due tipi di particelle functionalized con DNA complementare possono riconoscersi2.

Malgrado la chiarezza apparente del concetto bio--programmabile, la lavorazione delle strutture bene determinate dagli nano-oggetti rimane una sfida come conseguenza delle interazioni riferite tassa supplementare della inter componente, varie interazioni molecolari, geometrico ed entropico. Di Conseguenza, un'interazione complessa di fase è preveduta anche per i sistemi relativamente semplici3.

Parecchi gruppi hanno dimostrato in entrambi i 1-D e 2-D, impalcature di quel DNA, cioè i reticoli del DNA con i siti di riconoscimento, possono essere usati per dirigere un collegamento delle particelle codificate sui siti predeterminati. 4In tre dimensioni tuttavia, un approccio differente è più pratico, la struttura definitiva con tutto il dato valido dovrebbe “essere programmato„ facendo uso dei motivi del DNA fissati agli nano-oggetti.

Figura 2. (Lasciata) Piccolo reticolo di scattering dei raggi x di angolo ottenuto da un superreticolo delle nanoparticelle montate con DNA. (Destra) La struttura corrispondente, organismo si è concentrata la grata cubica, costituita dalle particelle di due tipi, contenenti il DNA due complementare; le distanze interparticle sono determinate da DNA.

Una scoperta recente ha indicato che determinati motivi del DNA possono effettivamente piombo alla formazione di strutture altamente organizzate - superreticoli cristallini delle nanoparticelle con ordine che si propaga sopra i dieci o le centinaia di dimensioni delle particelle5. Il diagramma di Fase di DNA ha mediato gli assembly esaminatori sperimentalmente indica che il grado di ordine dipende dai dettagli degli shell del DNA, il numero di DNA che collega le particelle e la lunghezza del DNA6.

Gli assembly cristallini sono thermodinamicamente reversibili e temperatura-musicali, con le grate cubiche concentrate (bcc) organismo in cui le particelle occupano soltanto ~3-5% della cella di unità. Tali strutture aperte potenzialmente permettono l'incorporazione di vari elementi funzionali alle posizioni specifiche sul superreticolo 3D come pure l'opportunità realizzare le modifiche dell'post-assembly. Per esempio, se le nanoparticelle sono collegate in un superreticolo facendo uso di un'unità riconfigurabile del DNA, le distanze interparticle possono essere passate “a richiesta„7 facendo uso degli stimoli molecolari e dei fili semplici del DNA.

Oltre a milioni di montaggio di nanoparticelle negli assembly 3D, è abbastanza un vantaggioso da costruzione i cluster precisamente strutturati di parecchie particelle. Quando alcune nanoparticelle sono sistemate in una struttura particolare, i nuovi beni materiali possono emergere. Le Nanoparticelle in questo caso sono analoghe agli atomi, che, una volta connesso in una molecola, spesso beni della mostra non trovati nei diversi atomi.

A metodi basati a soluzione Convenzionali provocano tipicamente una vasta popolazione dei multimers dei cluster; ancora, il risparmio di temi di montaggio è limitato. Un metodo di alto-capacità di lavorazione recentemente è stato dimostrato per il montaggio dei cluster facendo uso delle nanoparticelle DNA-codificate montate su un supporto solido via il riconoscimento8. Questo approccio permette la costruzione dei cluster di nanoparticella con un alto rendimento. Facendo Uso di questo metodo, i cluster a due componenti da costruzione dalle particelle dell'argento e dell'oro per esaminare i loro beni ottici. Le strutture Più complesse che contengono parecchi tipi di nano-oggetti con le posizioni regolamentate degli inter oggetti possono essere montate facendo uso di questo approccio.

La Ricerca su auto-assembly programmabile dei nanosystems promette di portare un nuovo paradigma relativamente alla lavorazione dei materiali e delle unità. Sebbene il progresso significativo sia evidente, parecchie sfide importanti ancora devono essere capite e risolte: (i) come saldare le interazioni biologiche selettive ed i fattori fisici non selettivi; (ii) come programmare una struttura globale di un sistema facendo uso delle tecniche della codifica per le diverse componenti; (iii) come applicare correttivo nel trattamento dell'auto-assembly.

 


Riferimenti

1. Seeman, N.C. DNA in un mondo materiale. Natura 421, 427-431 (2003)
2. C.A. Mirkin, R.L. Letsinger, R.C. Mucic e J.J. Storhoff, “Ad un metodo basato a DNA per razionale il montaggio delle nanoparticelle Natura 382, 607 nei materiali macroscopici„ (1996); A.P. Alivisatos, K.P. Johnsson, X.G. Peng, T.E. Wilson, C.J. Loweth, M.P. Bruchez e P.G. Schultz, “Organizzazione “della Natura nanocrystal 382, 609 del DNA delle molecole„ facendo uso„ (1996).
3. A.V. Tkachenko, “diversità Morfologica Esame Fisico dell'auto-assembly DNA-colloidale„ Segna 89 con lettere, 148303 (2002)
4. Y.Y. Pinto, il J. il D. Le, N.C. Seeman, K. Musier-Forsyth, T.A. Taton e R.A. Kiehl, “Sequenza-Ha Codificato l'auto-assembly delle schiere multiple-nanocomponent Lettere Nane 5, 2399 dalla 2D armatura del DNA„ (2005); Zhang, il J.P., Liu, il Y., il KE, il Y G. & Yan, schiere del tipo di quadrato di nanoparticella dell'oro di H. Periodic templated dai 2D nanogrids auto-montati del DNA su una superficie. Lett Nano. 6, 248_251 (2006); Deng, lo Z.X., il Tian, il Y., Lee, lo S.H., Ribbe, il A.E. & Mao, C.D. DNA-hanno codificato l'auto-assembly delle nanoparticelle dell'oro nelle schiere unidimensionali. Angew. Chim. Int. Ed. 44, 3582 (2005)
5. D. Nykypanchuk, M.M. Maye, D. van der Lelie ed O. Gang, “DNA-hanno guidato la cristallizzazione delle nanoparticelle colloidali„, Natura 451, 549 (2008); S.Y. Park, A.K.R. Lytton-Jean, B. Lee, S. Weigand, G.C. Schatz, C.A. Mirkin, “Cristallizzazione DNA-Programmabile di Nanoparticella,„ Natura 451, 553 (2008)
6. H.M. Xiong, D. van der Lelie ed O. Gang, “Comportamento di Fase delle Nanoparticelle Hanno Montato dai Linker del DNA„, Esame Fisico Segna 102 con lettere, 015504 (2009).
7. M.M. Maye, D. Nykypanchuk, M. Cusiner, D. van der Lelie ed O. Gang, “la codifica di superficie Graduale per il montaggio di alto-capacità di lavorazione dei nanoclusters„, Materiali della Natura, 8, 388 (2009)
8. M.M. Maye, K. Mudalidge, D. Nykypanchuk, W. Sherman e Superreticoli e Cluster Molecolare Scambiabili di Nanoparticella di O. Gang “con gli Stati Binari„, Nanotecnologia della Natura, DOI: 10.1038/nnano.2009.378

Copyright AZoNano.com, Dott. Oleg Gang (Laboratorio Nazionale di Brookhaven)

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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