多成分 Nano アーキテクチャのプログラム可能な自己アセンブリ

先生によって Oleg Gang

Oleg 先生の一団、グループのリーダー、柔らかいおよび生物的 Nanomaterials機能 Nanomaterials のための中心Brookhaven の国立研究所
対応する著者: ogang@bnl.gov

Nanoparticles は今使用できます材料および装置の広い範囲のために魅力的のが、新しい製造方法はまた Nanoparticulates の興味深い特性を充分に利用するために必要となります。

個々のコンポーネントからのシステムの自己アセンブリに基づくアプローチは途方もない費用の利点が石版方法と比較される魔法の 「製造の容易さ」ほとんどあり。 自己アセンブリ技術はまた慣習的な石版印刷のために本質的に挑戦的処理するプレハブの nano 目的を含んでいる thee の次元アーキテクチャまたは構造の例えば製造をであるタスクをアドレス指定できます。

逆に、自己アセンブリ方法に普通重要な限定があります: それらは同じようなコンポーネントからの比較的単純構造の形成を可能にし、まれにシステムの理性的なデザインを可能にしません。 特定のアーキテクチャのシステムに異なった nanocomponents を配列する機能は nanosystems の多くの出現の機能特性を可能にするための主条件です。 従って質問これは起こりましたり、自己アセンブリで達成することができますか。

図 1。 プログラム可能な自己アセンブリの概念。 さまざまなタイプ (lego ブロック) の Nano コンポーネントは 「スマートな」接着剤、によって最終的な構造の形成にコンポーネントがどのように相互に作用しているか符号化する生体物質 (例えば、 DNA)、それ導きます指示されます。

自己アセンブリでの多重タイプのコンポーネントからの複雑なシステムの製造のための有望な作戦の 1 つは生体物質の使用に基づいています。

nano 目的デザインへの生体物質の結合はさまざまな nano コンポーネント間の選択的な魅力を割り当てる機会を提供します。 Biomolecular 符号化は異なった nano 目的がどのように互いに相互に作用している、そしてどのように最終的な構造が現われるか調整する規則を確立します。

このアプローチの最も魅力的な実施の 1 つは化学的に安定して、さまざまな平均によって総合することができる DNA の使用に基づいています。 DNA はまた符号化の高度を提供し、相互コンポーネントの間隔を調節するのに便利に使用することができます。

ナノテクノロジーアプリケーションのための DNA の使用はチャド Mirkin の補足 DNA と functionalized 2 つのタイプの粒子は互いを認識できることを1示した、グループおよびポール Alivisatos によって DNA 構造、かいわゆる足場の考えをブランチした、および探索した Ned Seeman のグループ開拓されました2

生物プログラム可能な概念の表面上の明快さにもかかわらず、 nano 目的からのよく定められた構造の製造は追加相互コンポーネントの料金関連相互作用、さまざまな分子相互作用の結果として挑戦に、幾何学的、 entropic 残ります。 その結果、複雑な段階の相互作用は比較的単純システムのために予想されます3

何人かのグループは両方の 1-D および第 2 のその DNA の足場で示しました、前もって決定されたサイトに符号化された粒子の接続機構を指示するのに認識部位が付いているすなわち DNA パターンが、使用することができます。 43 つの次元ではしかし、別のアプローチは nano 目的に接続する DNA のモチーフを使用してより実用的、すべての関連情報の最終的な構造」プログラムされるべきです 「です。

図 2. (残っている) DNA とアセンブルされる nanoparticles の超格子から得られる小さい角度の X 線分散パターン。 (右) 対応する構造、ボディは 2 補足 DNA を含んでいる 2 つのタイプの粒子によって形作られた立方格子を集中させました; interparticle 間隔は DNA によって定められます。

最近発見したものはある特定の DNA のモチーフが非常に整頓されていた構造 - 粒度もの 10 か何百に伝播する順序の nanoparticles の結晶の超格子の形成の全く原因となる場合があることを示しました5。 DNA の状態図は順序のある程度が DNA のシェル、粒子および DNA の長さをリンクする DNA の番号の細部によって決まることを実験的に調査されたアセンブリを示します仲介しました6

結晶アセンブリは粒子が単位格子の ~3-5% だけを占めるボディによって (bcc)集中させる立方格子と熱力学的に可逆そして温度調整可能、です。 そのような開いた構造は 3D 超格子の特定の位置で可能性としてはさまざまな機能要素の結合、また機会を後アセンブリ修正を行う可能にします。 例えば、 nanoparticles が再構成可能な DNA 装置を使用して超格子でリンクされれば、 interparticle 間隔は分子刺激および簡単な DNA の繊維7 を使用して 「オンデマンド式で」切替えることができます。

アセンブルの何百万の 3D アセンブリへの nanoparticles から離れて、複数の粒子の正確に構成されたクラスタを製造することはかなり有利です。 少数の nanoparticles が特定の構造で配列されるとき、新しく物質的な特性は現れることができます。 Nanoparticles はこの場合原子に類似しています、分子で接続されたとき、頻繁に個々の原子で見つけられない展示品の特性。

慣習的な解決ベースの方法はクラスタの multimers の広い人口で普通起因します; なお、製造の効率は限られています。 高スループット方法は認識によって固相でアセンブルされる DNA 符号化された nanoparticles を使用してクラスタの製造のために最近示されてしまいました8。 このアプローチは高い収穫が付いている nanoparticle クラスタの構築を可能にします。 この方法を使用して光学的性質を検査するために、 2 コンポーネントクラスタは金および銀の粒子から製造されました。 複数のタイプの調整された相互目的の位置の nano 目的を含んでいるより複雑な構造はこのアプローチを使用してアセンブルすることができます。

nanosystems のプログラム可能な自己アセンブリの研究は材料および装置の製造に関連して新しい範例を持って来ると約束します。 重要な進歩が明白であるが、複数の主要な挑戦はまだ理解され、解決される必要があります: (i) 選択的な生物的相互作用および非選択物理的な要因のバランスをとる方法を; (ii) 個々のコンポーネントのための符号化の技術を使用してシステムの全体的な構造をプログラムする方法を; (iii) 自己アセンブリプロセスのエラー修正を実行する方法を。

 


参照

1. Seeman、物質的な世界の N.C. DNA。 性質 421、 427-431 (2003 年)
2. C.A. Mirkin、 R.L. Letsinger、 R.C. Mucic、および J.J. Storhoff、 「合理的にマクロスコピック材料への nanoparticles を」のアセンブルするための DNA ベースの方法性質 382、 607 (1996 年); A.P. Alivisatos、 K.P. Johnsson、 X.G. ポン、 T.E. ウイルソン、 C.J. Loweth、 M.P. Bruchez、および P.G. Schultz、 nanocrystal」 DNA」のを使用して分子性質 382、 609 「の 「構成 (1996 年)。
3. A.V. Tkachenko は、 「DNA コロイド自己アセンブリの形態学上の多様性」物理的な検討 89、 148303 に文字を入れます (2002 年)
4. Y.Y. Pinto、 J.D. Le、 N.C. Seeman、 K. Musier-Forsyth、 T.A. Taton、および R.A. Kiehl は第 2 DNA の足場によって、 「多重nanocomponent アレイの自己アセンブリを」 Nano 文字 5、 2399 シーケンス符号化しました (2005 年); チャン、 J.P.、劉、 Y.、 Ke、 Y.G. 及び沿の H. Periodic のの正方形そっくりの金の nanoparticle のアレイは表面の自己組み立てられた第 2 DNA の nanogrids によって templated。 Nano Lett。 6、 248_251 (2006 年); Deng、 Z.X.、 Tian、 Y.、リー、 S.H.、 Ribbe、 A.E. 及び毛、 C.D. は 1 次元アレイに金の nanoparticles の自己アセンブリを DNA 符号化しました。 Angew。 Chem。 Int. エド。 44、 3582 (2005 年)
5. D. Nykypanchuk、 M.M. Maye、 D. van der Lelie、および O. Gang は、 「コロイド nanoparticles の結晶化を」、性質 451、 549 DNA 導きました (2008 年); S.Y. Park、 A.K.R. Lytton シーン、 B. リー、 S. Weigand、 G.C. Schatz、 C.A. Mirkin、 「DNA プログラム可能な Nanoparticle の結晶化」、性質 451、 553 (2008 年)
6. H.M. Xiong、 D. van der Lelie、および O. Gang は DNA のリンカによって、 「Nanoparticles の段階動作」の、物理的な検討文字を入れます 102、 015504 にアセンブルしました (2009 年)。
7. M.M. Maye、 D. Nykypanchuk、 M. Cusiner、 D. van der Lelie、および O. Gang、 「nanoclusters の高スループットアセンブリのための段階的な表面の符号化」、性質材料、 8、 388 (2009 年)
8. M.M. Maye、 K. Mudalidge、 D. Nykypanchuk、 W. シャーマン、および O. Gang の 「二進州が付いている分子的に切替可能な Nanoparticle 超格子そしてクラスタ」、性質のナノテクノロジー、 DOI: 10.1038/nnano.2009.378

、版権 AZoNano.com Oleg Gang (Brookhaven の国立研究所) 先生

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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