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在多成分的纳诺结构的可编程序的自集合

由 Oleg Gang 博士

Oleg 博士帮会,组领导先锋,软和生物 Nanomaterials功能 Nanomaterials 中心Brookhaven 国家实验室
对应的作者: ogang@bnl.gov

Nanoparticles 现在是可用的为各种各样的材料和设备是有吸引力的,但是也要求新颖的制造方法利用 Nanoparticulates 有趣属性的。

在系统基础上自集合的途径从各自的要素的几乎提供极大的费用好处和制造魔术 “方便”与平版印刷的方法比较。 自集合技术可能也解决为常规石版印刷是内在地富挑战性处理例如生产包含预制的纳诺对象的 thee 尺寸结构或结构的任务。

相反地,自集合方法典型地有重大的限制: 他们允许相对地从相似的要素的简单的结构的形成,并且他们很少允许系统一个合理的设计。 这个能力安排不同的 nanocomponents 到与特定结构的一个系统是启用 nanosystems 许多涌现的功能属性的一个关键需求。 因此这个问题产生,能这通过自集合达到?

图 1。 可编程序的自集合的概念。 纳诺要素多种类型 (lego 块) 是由 “聪明的”胶浆,原生质 (例如,脱氧核糖核酸),处理的输入要素如何配合,那导致最终结构的形成。

其中一个复杂系统的制造的有为的方法从多个类型要素的通过自集合在使用原生质基础上。

原生质的并网到纳诺对象设计里提供一个机会分配在多种纳诺要素之间的有选择性的吸引力。 生物化子的编码设立调控的规律不同的纳诺对象如何彼此配合,并且最终结构如何出现。

一此途径的最有吸引力的实施在使用脱氧核糖核酸基础上,是化工稳定的,并且可以通过多种平均值综合。 脱氧核糖核酸也提供高度编码,并且可以便利地使用调整相互要素距离。

使用纳米技术应用的脱氧核糖核酸由组 Ned 作早期工作在 Seeman,测试脱氧核糖核酸想法由乍得1Mirkin 组和保罗 Alivisatos 分支结构或者所谓的绞刑台,和,显示出,微粒的二种类型 functionalized 与补充脱氧核糖核酸可能互相认可2

由于另外的相互要素充电涉及的交往,多种分子交往,尽管生物可编程序的概念的外表清晰,生产从纳诺对象的唯一确定的结构依然是挑战,几何和值图线。 结果,复杂阶段交往甚而为相对地简单系统期望3

几个组在两 1-D 和第 2,该脱氧核糖核酸绞刑台展示了,即与识别位点的脱氧核糖核酸模式,可以用于处理编码微粒的附件在预先确定的站点上的。 4然而在三维数,一个不同的途径是更加实用的,与所有这个相关信息的最终结构应该 “编程”使用脱氧核糖核酸主题附有纳诺对象。

图 2. () 从 nanoparticles 超晶格得到的小角度 X-射线分散模式装配与脱氧核糖核酸。 (正确) 这个对应的结构,机体集中了立方点阵,形成由二个类型微粒,包含二补充脱氧核糖核酸; 脱氧核糖核酸取决于 interparticle 距离。

新发现向显示某些脱氧核糖核酸主题可能的确导致高度组织的结构 - nanoparticles 水晶超晶格的形成与繁殖在十倍或数百的命令的颗粒大小5。 脱氧核糖核酸相位图斡旋了实验调查的集合向显示有序度取决于脱氧核糖核酸壳,链接微粒和脱氧核糖核酸长度的脱氧核糖核酸的编号的详细资料6

水晶集合热力学上是可逆和温度可调的,与机体微粒 (bcc)只占用 ~3-5% 单位晶格的被集中的立方点阵。 这样开放结构在 3D 超晶格的特定地点可能地允许多种功能元件的并网,以及这个机会进行之后集合修改。 例如,如果使用一个重新可配置的脱氧核糖核酸设备, nanoparticles 在超晶格被链接,使用分子刺激和简单的脱氧核糖核酸子线, interparticle7 距离可以被切换 “在要求时”。

除聚集的百万 nanoparticles 外到 3D 集合里,制造几个微粒精密地构建的字符串是相当有利的。 当一些 nanoparticles 在一个特殊结构时被安排,新的有形资产可能涌现。 Nanoparticles 在这种情况下是类似于原子,当连接在分子,经常在各自的原子没找到的展览属性。

常规基于解决方法的方法典型地导致字符串 multimers 的主要的人口; 此外,制造效率是有限的。 高处理量方法为字符串的制造最近被展示了使用在一个载体装配的脱氧核糖核酸编码 nanoparticles 通过识别8。 此途径允许纳米颗粒字符串的建筑与一个高产量的。 使用此方法,二要素字符串从金和银微粒被制造检查他们的光学性能。 使用此途径,包含纳诺对象的几种类型与调控的相互对象位置的更加复杂的结构可以被装配。

对 nanosystems 可编程序的自集合的研究承诺关于生产材料和设备带来新的示例。 虽然重大的进展是明显的,仍然需要了解和解决几个主要挑战: (i) 如何平衡有选择性的生物交往和无选择性的实际系数; 使用各自的要素的编码技术 (ii) 如何编程系统的一个全球结构; (iii) 如何实施错误校正在自集合进程中。

 


参考

1. Seeman,在一个物质世界的 N.C. DNA。 本质 421, 427-431 (2003)
2. C.A. Mirkin, R.L. Letsinger, R.C. Mucic 和 J.J. Storhoff, “合理装配的 nanoparticles 一个基于脱氧核糖核酸的方法到宏观材料里”本质 382, 607 (1996); A.P. Alivisatos, K.P. Johnsson, X.G. 彭, T.E. 威尔逊, C.J. Loweth, M.P. Bruchez 和 P.G. Schultz, “‘nanocrystal 分子’使用脱氧核糖核酸”本质 382, 609 的组织 (1996)。
3. A.V. Tkachenko, “脱氧核糖核酸胶质自集合形态分集”实际复核在 89, 148303 上写字 (2002)
4. Y.Y. Pinto、 J.D. Le, N.C. Seeman, K. Musier-Forsyth, T.A. Taton 和 R.A. Kiehl, “由第 2 个脱氧核糖核酸脚手架顺序输入了多个nanocomponent 列阵自集合”纳诺信函 5, 2399 (2005); 张、 J.P.,刘、 Y.、 Ke、 Y.G. & 严, H. Periodic 象正方形的金纳米颗粒列阵由在表面的自被汇编的第 2 脱氧核糖核酸 nanogrids templated。 纳诺 Lett。 6, 248_251 (2006); 邓、 Z.X., Tian、 Y.、李、 S.H., Ribbe、 A.E. & 毛, C.D. 脱氧核糖核酸输入了金 nanoparticles 自集合到一维列阵。 Angew。 Chem。 Int. 爱德。 44, 3582 (2005)
5. D. Nykypanchuk、 M.M. Maye, D. van der Lelie 和 O. Gang, “脱氧核糖核酸引导胶质 nanoparticles 的结晶”,本质 451, 549 (2008); S.Y. Park, A.K.R. Lytton 吉恩, B. 李, S. Weigand, G.C. Schatz, C.A. Mirkin, “脱氧核糖核酸可编程序的纳米颗粒结晶”,本质 451, 553 (2008)
6. H.M. Xiong, D. van der Lelie 和 O. Gang, “Nanoparticles 阶段工作情况由脱氧核糖核酸连接器聚集”,实际复核在 102, 015504 上写字 (2009)。
7. M.M. Maye, D. Nykypanchuk, M. Cusiner, D. van der Lelie 和 O. Gang, “nanoclusters 高处理量装配的按步表面编码”,本质材料, 8, 388 (2009)
8. M.M. Maye, K. Mudalidge, D. Nykypanchuk, W. 谢尔曼和 O. Gang “分子可转换的纳米颗粒超晶格和字符串以二进制状态”,本质纳米技术, DOI :10.1038/nnano.2009.378

版权 AZoNano.com, Oleg Gang (Brookhaven 国家实验室) 博士

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

Last Update: 14. June 2013 01:08

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