There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

Programmeerbare zelf-Assemblage over nano-Architectuur Met Meerdere Componenten

door Dr. Oleg Gang

, Zachte en Biologische Nanomaterials van Dr. Oleg Gang, van de Leider van de Groep, Centrum voor Functionele Nanomaterials, Nationaal Laboratorium Brookhaven
Overeenkomstige auteur: ogang@bnl.gov

Nanoparticles is nu beschikbaar dat voor een brede waaier van materialen en apparaten aantrekkelijk is, maar de nieuwe vervaardigingsmethodes worden ook vereist om volledig voordeel van de interessante eigenschappen van Nanoparticulates te nemen.

Benaderingen op de zelf-assemblage van systemen van individuele enorme de kostenvoordelen van de componentenaanbieding worden gebaseerd en bijna een magisch „gemak van vervaardiging“ in vergelijking met lithografische methodes die. De technieken van de zelf-Assemblage kunnen taken ook richten die intrinsiek uitdagend voor conventionele lithografie verwerken bijvoorbeeld de vervaardiging van thee dimensionale architectuur of structuren die geprefabriceerde nano-voorwerpen bevatten zijn.

Omgekeerd, hebben de zelf-assemblagemethodes typisch significante beperkingen: zij staan voor de vorming van vrij eenvoudige structuren van gelijkaardige componenten toe, en zij laten zelden een rationeel ontwerp van systemen toe. De capaciteit om verschillende nanocomponents in een systeem met een specifieke architectuur te schikken is een zeer belangrijk vereiste om vele nieuwe functionele eigenschappen van nanosystems toe te laten. De vraag zich daarom, doet kan dit voor via zelf-assemblage worden bereikt?

Figuur 1. Een concept programmeerbare zelf-assemblage. De nano-Componenten van diverse types (lego-blokken) worden geleid door „slimme“ lijm, biomoleculen (bijvoorbeeld, DNA), die coderen hoe de componenten op elkaar inwerken, leidt dat tot vorming van definitieve structuur.

Één van de veelbelovende strategieën voor de vervaardiging van complexe systemen van componenten van veelvoudige types via zelf-assemblage is gebaseerd op het gebruik van biomoleculen.

De integratie van biomoleculen in nano-voorwerpsontwerpen biedt een mogelijkheid om selectieve aantrekkelijkheden tussen diverse nano-componenten toe te wijzen. Het Biomoleculaire coderen legt de regels vast die regelen hoe de verschillende nano-voorwerpen met elkaar in wisselwerking staan en hoe de definitieve structuur verschijnt.

Één van de aantrekkelijkste implementatie van deze benadering is gebaseerd op het gebruik van DNA, dat chemisch stabiel is en door diverse middelen kan worden samengesteld. DNA verstrekt ook een hoge graad van het coderen en kan gemakshalve worden gebruikt om inter-componentenafstanden aan te passen.

Het gebruik van DNA voor de nanotechnologietoepassingen werd de weg bereid door de groep Ned Seeman, die het idee van DNA ZICH vertakte structuren, 1of zogenaamde steigers onderzocht, en door de groepen Tsjaad Mirkin en Paul Alivisatos, die aantoonden dat twee types van deeltjes met bijkomende DNA functionalized elkaar kan erkennen2.

Ondanks de schijnbare duidelijkheid van het bio-programmeerbare concept, blijft de vervaardiging van goed bepaalde structuren van nano-voorwerpen een uitdaging als resultaat van extra inter-componentenlast verwante interactie, diverse moleculaire interactie, geometrisch en entropic. Derhalve wordt een complexe faseinteractie voorzien zelfs voor vrij eenvoudige systemen3.

Verscheidene groepen hebben in zowel 1-D als tweede, de steigers van die DNA aangetoond, d.w.z. kunnen de patronen van DNA met erkenningsplaatsen, worden gebruikt om een gehechtheid van gecodeerde deeltjes op vooraf bepaalde plaatsen te leiden. 4In drie afmetingen nochtans, is een verschillende benadering praktischer, zou de definitieve structuur met al relevante informatie „moeten worden geprogrammeerd“ gebruikend de motieven van DNA in bijlage aan nano-voorwerpen.

Figuur 2. (Weggegaan) Klein hoek x-ray verspreidend die patroon uit superlattice van nanoparticles wordt verkregen met DNA wordt geassembleerd. (Juist) de overeenkomstige structuur, lichaam gecentreerd kubiek die rooster, door deeltjes die van twee types wordt gevormd, bijkomende DNA twee bevatten; interparticle afstanden worden bepaald door DNA.

Een recente ontdekking heeft aangetoond dat bepaalde motieven van DNA inderdaad tot de vorming van hoogst georganiseerde structuren kunnen leiden - kristallijne superlattices van nanoparticles met orde zich verspreidt meer dan tientallen of honderden deeltjesgrootte5. Diagram van de Fase van DNA bemiddelde experimenteel onderzochte assemblage aantoont dat de graad van orde van de details van shells van DNA, het aantal de aaneenschakelingsdeeltjes van DNA en de lengte van DNA afhangt6.

De kristallijne assemblage is thermodynamisch omkeerbaar en temperatuur-melodieus, met lichaam gecentreerde kubieke (bcc) roosters waar de deeltjes slechts ~3-5% van de eenheidscel bezetten. Dergelijke open structuren laten potentieel de integratie van diverse functionele elementen bij specifieke plaatsen op 3D superlattice, evenals de kans toe om post-assemblagewijzigingen uit te voeren. Bijvoorbeeld, als nanoparticles in superlattice die een reconfigurable apparaat van DNA met behulp van verbonden zijn, kunnen de interparticle afstanden geschakelde „op bestelling“ zijn7 gebruikend moleculaire stimuli en de eenvoudige bundels van DNA.

Behalve het assembleren van miljoenen nanoparticles in 3D assemblage, is het vrij voordelig om precies gestructureerde clusters van verscheidene deeltjes te vervaardigen. Wanneer een paar nanoparticles in een bepaalde structuur worden geschikt, kunnen de nieuwe materiële eigenschappen te voorschijn komen. Nanoparticles in dit geval is analoog aan atomen, die, wanneer verbonden die in een molecule, vaak eigenschappen tentoonstellen niet in de individuele atomen worden gevonden.

De Conventionele op oplossing-gebaseerde methodes resulteren typisch in een brede bevolking van multimers van clusters; voorts is de efficiency van vervaardiging beperkt. Een hoog-productiemethode is onlangs aangetoond voor de DNA-Gecodeerde vervaardiging van clusters gebruikend nanoparticles geassembleerd op een stevige steun via erkenning8. Deze benadering staat de bouw van nanoparticleclusters met toe een hoge opbrengst. Gebruikend deze methode, zijn de twee-component clusters vervaardigd van gouden en zilveren deeltjes om hun optische eigenschappen te onderzoeken. De complexere structuren die verscheidene types van nano-voorwerpen met geregelde inter-voorwerpenposities kunnen bevatten worden geassembleerd gebruikend deze benadering.

Het Onderzoek bij de programmeerbare zelf-assemblage van nanosystems belooft om een nieuw paradigma met betrekking tot de vervaardiging van materialen en apparaten te brengen. Hoewel de significante vooruitgang duidelijk is, moeten verscheidene belangrijke uitdagingen nog zich begrijpen en worden opgelost: (i) hoe te om selectieve biologische interactie en niet-selectieve fysieke factoren in evenwicht te brengen; (ii) hoe te om een globale structuur van een systeem te programmeren die het coderen technieken voor individuele componenten gebruiken; (iii) hoe te om fout-correctie in het zelf-assemblageproces uit te voeren.

 


Verwijzingen

1. Seeman, DNA van N.C. in een materiële wereld. Aard 421, 427-431 (2003)
2. C.A. Mirkin, R.L. Letsinger, R.C. Mucic, en J.J. Storhoff, een „op DNA-Gebaseerde methode om rationeel nanoparticles in macroscopische materialen“ te assembleren Aard 382, 607 (1996); A.P. Alivisatos, K.P. Johnsson, X.G. Peng, de TE Wilson, C.J. Loweth, AFGEVAARDIGDE Bruchez, en P.G. Schultz, „Organisatie die van „nanocrystal van molecules gebruiken Aard 382, 609“ DNA“ (1996).
3. A.V. Tkachenko Brieven 89, 148303, van het „Morfologische diversiteits van DNA-Colloïdale zelf-assemblage“ Fysieke Overzicht (2002)
4. Y.Y. Pinto, J.D. Le, N.C. Seeman, K. Musier-Forsyth, TA Taton, en R.A. Kiehl, „opeenvolging-Gecodeerde zelf-assemblage van veelvoudig-nanocomponent series door de 2D steiger van DNA“ Nano Brieven 5, 2399 (2005); Zhang, J.P., Liu, Y., KE, Y.G. & Yan, Periodic vierkant-als gouden nanoparticleseries van H. templated door zelf-geassembleerde 2D DNA nanogrids op een oppervlakte. Nano Lett. 6, 248_251 (2006); Deng, Z.X., Tian, Y., Lee, S.H., Ribbe, A.E. & Mao, de zelf-assemblage van C.D. DNA-encoded van goud nanoparticles in ééndimensionale series. Angew. Chem. Int. ED. 44, 3582 (2005)
5. D. Nykypanchuk, M.M. Maye, D. van der Lelie, en O. Troep, „DNA-Geleide kristallisatie van colloïdale nanoparticles“, Aard 451, 549 (2008); S.Y. Park, A.K.R. Lytton-Jean, B. Lee, S. Weigand, G.C. Schatz, C.A. Mirkin, „DNA-Programmeerbare Kristallisatie Nanoparticle,“ Aard 451, 553 (2008)
6. H.M. Xiong, D. van der Lelie, en O. Troep, het „Gedrag van de Fase van Nanoparticles door Linkers van DNA wordt Geassembleerd“, Fysieke Brieven 102, 015504 van het Overzicht (2009 die).
7. M.M. Maye, D. Nykypanchuk, M. Cusiner, D. van der Lelie, en O. Troep, „het Trapsgewijze oppervlakte coderen voor hoog-productieassemblage van nanoclusters“, Materialen van de Aard, 8, 388 (2009)
8. M.M. Maye, K. Mudalidge, D. Nykypanchuk, W. Sherman, en Clusters van de Troep van O. Verwisselbare Superlattices Nanoparticle en de „Moleculair met Binaire Staten“, de Nanotechnologie van de Aard, DOI: 10.1038/nnano.2009.378

Copyright AZoNano.com, Dr. Oleg Gang (Nationaal Laboratorium Brookhaven)

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

Last Update: 14. June 2013 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit