Επιστήμονες στο Υπουργείο Εξωτερικών των ΗΠΑ (DOE) Brookhaven Ενέργειας National Laboratory έκθεση την πρώτη επιτυχημένη συνέλευση του 3-D πολλά συστατικά νανοκλίμακα δομές με ρυθμιζόμενο οπτικές ιδιότητες που ενσωματώνουν φως απορρόφησης και εκπομπής σωματιδίων.
Το έργο αυτό, με τη χρήση συνθετικών DNA ως ένα προγραμματιζόμενο στοιχείο για τη σύνδεση των νανοσωματιδίων, αποδεικνύει την ευελιξία του DNA με βάση τη νανοτεχνολογία για την κατασκευή των λειτουργικών κατηγοριών υλικών, και κυρίως οπτικές αυτές, με πιθανές εφαρμογές στον τομέα της ηλιακής ενέργειας συσκευές μετατροπής, αισθητήρες, και νανοκλίμακα κυκλώματα. Η έρευνα δημοσιεύθηκε σε απευθείας σύνδεση 29η Σεπτεμβρίου 2010, στο Nanoletters περιοδικό.
BNL επιστήμονες χρησιμοποίησαν συνδέτες DNA με τρεις θέσεις σύνδεσης (μαύρο "χορδές") για να συνδέσετε τα νανοσωματίδια χρυσού (πορτοκαλί και κόκκινο σφαίρες) και φθορίζουσα χρωστική ουσία μόρια (μπλε σφαίρες), με ετικέτα συμπληρωματικές αλληλουχίες του DNA. Αυτές οι μονάδες είναι αυτο-συναρμολογούνται για να σχηματίσουν ένα σώμα-κέντρο κυβικό πλέγμα με νανοσωματίδια στις γωνίες και στο κέντρο, και φθορίζουσα χρωστική ουσία μόρια στο μεταξύ.
"Για πρώτη φορά έχουμε αποδείξει μια στρατηγική για τη συναρμολόγηση του 3-D, σαφώς καθορισμένες, οπτικά ενεργών δομών χρησιμοποιώντας DNA κωδικοποιημένα στοιχεία διαφορετικών τύπων», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Oleg Gang του Brookhaven της Κέντρο Λειτουργική νανοϋλικά (CFN). Όπως και προηγούμενες εργασίες Gang και οι συνεργάτες του, η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί την υψηλή εξειδίκευση των δεσμευτικών μεταξύ συμπληρωματικά σκέλη του DNA για να συνδέουν τα σωματίδια μαζί με ακριβή τρόπο.
Στην παρούσα μελέτη, τα μόρια του DNA linker είχε τρεις θέσεις δέσμευσης. Τα δύο άκρα των κλώνων έχουν σχεδιαστεί για να συνδεθεί με συμπληρωματικά σκέλη στο "plasmonic" νανοσωματίδια χρυσού - σωματίδια κατά την οποία ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος του φωτός που προκαλεί μια συλλογική ταλάντωση του αγώγιμου ηλεκτρόνια, που οδηγεί σε ισχυρή απορρόφηση του φωτός σε αυτό το μήκος κύματος. Το εσωτερικό μέρος της κάθε linker DNA ήταν κωδικοποιημένα να αναγνωρίσει ένα συμπληρωματικό σκέλος χημικά συνδεδεμένο με μια φθορίζουσα χρωστική ουσία μόριο. Αυτή η ρύθμιση είχε ως αποτέλεσμα την αυτο-συναρμολόγηση του 3-D σώμα με επίκεντρο κυβικά κρυσταλλικές δομές με νανοσωματίδια χρυσού που βρίσκονται σε κάθε γωνία του κύβου και στο κέντρο, με μόρια χρωστικών ουσιών σε καθορισμένα σημεία στο μεταξύ.
Οι επιστήμονες επίσης απέδειξαν ότι η συναρμολογημένων κατασκευών, μπορεί να είναι δυναμικά συντονισμένοι με την αλλαγή της συγκέντρωσης άλατος από το διάλυμα στο οποίο σχηματίζονται. Αλλαγές στην αλατότητα μεταβάλλει το μήκος της τα αρνητικά φορτισμένα μόρια του DNA, οδηγώντας σε αναστρέψιμη συστολή και διαστολή του όλου πλέγματος κατά περίπου 30 τοις εκατό στο μήκος.
«Από καιρό έχει γίνει κατανοητό ότι η απόσταση μεταξύ των νανοσωματιδίων μετάλλων και αντιστοιχισμένο μόρια χρωστικών ουσιών μπορεί να επηρεάσει τις οπτικές ιδιότητες της τελευταίας», δήλωσε ο Matthew Sfeir, συγγραφέας και ένα οπτικό επιστήμονας στο CFN. Σε αυτό το πείραμα, την επέκταση και τη συστολή του κρυσταλλικού πλέγματος που προκλήθηκε από τις αλλαγές στην συγκέντρωση αλατιού που επιτρέπεται για μια δραματική διαφοροποίηση της οπτικής απόκρισης: μια τριπλάσια αύξηση του ρυθμού εκπομπών της φθορίζοντα μόρια παρατηρήθηκε.
Τα αποτελέσματα αυτά καθορίζεται με βάση ένα συνδυασμό των μικρών γωνία σκέδασης ακτίνων Χ στο Brookhaven της Εθνικό Synchrotron Light Source (NSLS) και του χρόνου-επιλύονται φθορίζουσες μεθόδους στο CFN. «Αυτός ο συνδυασμός σύγχροτρον με βάση τις διαρθρωτικές μεθόδων και του χρόνου-επιλύονται οπτικές τεχνικές απεικόνισης, έδωσε σημαντική άμεση εικόνα για τη σχέση μεταξύ της δομής και φθορίζουσες ιδιότητες αυτών των πινάκων που εκπέμπουν φως," δήλωσε ο Gang.
«Η μελέτη μας αντιμετωπίζει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με την αυτο-συναρμολόγηση των συστημάτων από τις συνιστώσες των πολλαπλών τύπων. Τα εν λόγω συστήματα δυνητικά επιτρέπουν την διαμόρφωση των ιδιοτήτων των επιμέρους συστατικών, και μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση νέων συμπεριφορά οφείλεται στη συλλογική αποτελέσματα. Αυτή η προσέγγιση συνέλευση μπορεί να εφαρμοστεί για τη διερεύνηση αυτής της συλλογικής συμπεριφοράς των τρισδιάστατων νανο-οπτικών συστοιχίες - για παράδειγμα, η επιρροή των plasmonic πλέγματος σε κβαντικές τελείες.
"Η κατανόηση αυτών των αλληλεπιδράσεων θα ήταν χρήσιμα για την ανάπτυξη νέων οπτικά υλικά για φωτοβολταϊκά, φωτοκατάλυση, την πληροφορική, και το φως που εκπέμπουν εφαρμογές. Έχουμε τώρα μια προσέγγιση για να κάνουν αυτές τις δομές και την περαιτέρω μελέτη των επιπτώσεων αυτών. "
Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το DOE Γραφείο της Επιστήμης. Εκτός από τη συμμορία και Sfeir, Huiming Xiong του CFN και της Σαγκάης Jiao Tong University ήταν ένα coauthor σε αυτό το έργο.
Το Κέντρο για τη Λειτουργική νανοϋλικά σε BNL αποτελεί μία από τις πέντε DOE Νανοκλίμακα Επιστημών Ερευνητικά Κέντρα , premier εθνικές εγκαταστάσεις του χρήστη για διεπιστημονική έρευνα σε νανοκλίμακα, οι οποίες υποστηρίζονται από το DOE Γραφείο της Επιστήμης. Μαζί του NSRCs περιλαμβάνουν μια σειρά από συμπληρωματικές διευκολύνσεις που παρέχουν οι ερευνητές με state-of-the-art δυνατότητες για την κατασκευή, τη διαδικασία, χαρακτηρίζουν και το μοντέλο νανοκλίμακα υλικών, και αποτελούν τη μεγαλύτερη επένδυση υποδομής του εθνικού προγράμματος νανοτεχνολογίας. Οι NSRCs βρίσκεται στο Argonne DOE της, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge και Sandia και Los Alamos National εργαστήρια.