Gli scienziati del US Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory rapporto con successo la prima assemblea del 3-D strutture a nanoscala multi-componente sintonizzabile con proprietà ottiche che incorporano che assorbono la luce e che emettono particelle.
Questo lavoro, utilizzando DNA sintetico come componente programmabile per collegare le nanoparticelle, dimostra la versatilità del DNA a base di nanotecnologie per la realizzazione di classi funzionali di materiali, in particolare quelle ottiche, con possibili applicazioni nel solare-energia dispositivi di conversione, sensori e nanoscala circuiti. La ricerca è stata pubblicata online 29 SETTEMBRE 2010, nella Nanoletters rivista.
Scienziati BNL utilizzato linker di DNA con tre siti di legame (nero "stringhe") per collegare nanoparticelle di oro (arancione e sfere rosse) e molecole di colorante fluorescente (sfere blu) taggati con sequenze di DNA complementare. Queste unità sono auto-assemblati per formare un corpo-centro reticolo cubico con nanoparticelle agli angoli e nel centro, e molecole di colorante fluorescente in mezzo.
"Per la prima volta abbiamo dimostrato una strategia per l'assemblaggio di 3-D, ben definito, le strutture otticamente attivo con componenti del DNA codifica di tipo diverso", ha detto Oleg Gang autore principale del Brookhaven Center for nanomateriali funzionali (CFN). Come il precedente lavoro di Gang e dei suoi colleghi, questa tecnica si avvale della elevata specificità di legame tra filamenti complementari di DNA di collegare insieme le particelle in modo preciso.
In questo studio, le molecole di DNA linker ha tre siti di legame. Le due estremità dei filamenti sono state progettate per legarsi a filamenti complementari su "plasmonici" nanoparticelle d'oro - le particelle in cui una particolare lunghezza d'onda della luce induce una oscillazione collettiva degli elettroni conduttivo, con conseguente forte assorbimento della luce a quella lunghezza d'onda. La parte interna di ogni linker DNA è stato codificato per riconoscere un filamento complementare chimicamente legati ad una molecola colorante fluorescente. Questa impostazione ha portato alla auto-assemblaggio di 3-D cubica a corpo centrato strutture cristalline con nanoparticelle di oro situate in ogni angolo del cubo e nel centro, con molecole di colorante in posizioni definite in mezzo.
Gli scienziati hanno anche dimostrato che le strutture assemblate possono essere dinamicamente regolato alterando la concentrazione salina della soluzione in cui sono formate. Cambiamenti nella salinità modificare la lunghezza delle molecole di DNA a carica negativa, che porta alla contrazione reversibile e l'espansione del reticolo intero di circa il 30 per cento di lunghezza.
"E 'da tempo capito che la distanza tra nanoparticelle metalliche e associato molecole di colorante può influenzare le proprietà ottiche di questi ultimi", ha detto Matthew Sfeir, coautore e uno scienziato ottico al CFN. In questo esperimento, l'espansione e la contrazione del reticolo cristallino innescato dai cambiamenti della concentrazione salina permesso una modulazione drammatico di una risposta ottica: un triplice aumento del tasso di emissione delle molecole fluorescenti è stata osservata.
Questi risultati sono stati determinati usando una combinazione di piccolo angolo x-ray scattering a Brookhaven Luce di Sincrotrone fonte nazionale (NSLS) e risolta in tempo metodi fluorescenti al CFN. "Questa combinazione di metodi strutturali sincrotrone-based e risolta in tempo le tecniche di imaging ottico fornito inestimabile visione diretta del rapporto tra la struttura e le proprietà di fluorescenza di queste matrici emettitori di luce", ha detto Gang.
"Il nostro studio affronta questioni importanti sulla auto-assemblaggio di sistemi di componenti di diversi tipi. Tali sistemi potenzialmente consentire la modulazione delle proprietà di singoli componenti, e potrebbe portare alla nascita di nuovi comportamenti a causa di effetti collettivi. Questo metodo di montaggio può essere applicato a esplorare tale comportamento collettivo di tre dimensioni nano-ottici array - per esempio, l'influenza del reticolo plasmoniche sul quantum dots.
"La comprensione di queste interazioni sarebbe rilevante per lo sviluppo di nuovi materiali ottici per il fotovoltaico, fotocatalisi, informatica, e la luce che emettono le applicazioni. Ora abbiamo un approccio per rendere queste strutture e ulteriormente studiare questi effetti ".
Questa ricerca è stata finanziata dall'Ufficio DOE della Scienza. Oltre a Gang e Sfeir, Xiong Huiming del CFN e Shanghai Jiao Tong University è stato un coautore su questo lavoro.
Il Centro per i nanomateriali funzionali a BNL è uno dei cinque Centri di Nanoscale Science Research DOE , premier servizi offerti agli utenti nazionali per la ricerca interdisciplinare su scala nanometrica che sono supportati dall'Ufficio DOE della Scienza. Insieme, i NSRCs comprende una suite di servizi complementari che forniscono ai ricercatori di dichiarare-of-the-art capacità di fabbricare, trattare, caratterizzare e modellare materiali su scala nanometrica, e costituiscono l'investimento più grande infrastruttura del National Nanotechnology Initiative. Il NSRCs si trovano a Argonne DOE, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge e Los Alamos, Sandia e laboratori nazionali.