De Wetenschappers bij het Nationale Laboratorium van Brookhaven van het Ministerie (DOE) van de V.S. van Energie melden de eerste succesvolle assemblage van 3-D nanoscalestructuren met meerdere componenten met melodieuze optische eigenschappen die licht-absorbeert en - uitzendend deeltjes opnemen.
Dit werk, die synthetische DNA gebruiken als programmeerbare component om nanoparticles met elkaar te verbinden, toont de veelzijdigheid van op DNA-Gebaseerde nanotechnologie voor de vervaardiging van functionele klassen van materialen, in het bijzonder optische degenen, met mogelijke toepassingen in zonneënergieomzettingsapparaten, sensoren, en nanoscale kringen aan. Het onderzoek werd gepubliceerd online 29 September, 2010, in het dagboek NanoLetters.
De wetenschappers BNL gebruikten linkers van DNA met drie bandplaatsen (zwarte „koorden“) om goud nanoparticles (oranje en rode gebieden) en fluorescente geëtiketteerde kleurstofmolecules (blauwe gebieden) aan de bijkomende opeenvolgingen van DNA te verbinden. Deze eenheden worden zelf-geassembleerd om een lichaam-centrum kubiek rooster met nanoparticles bij de hoeken en in het centrum, en fluorescente kleurstofmolecules binnen - tussen te vormen.
„Voor het eerst hebben wij een strategie voor de assemblage van 3-D aangetoond, duidelijk omlijnde, optisch actieve structuren gebruikend DNA gecodeerde componenten van verschillende types,“ de bovengenoemde Troep van hoofdauteursOleg van het Centrum van Brookhaven voor Functionele Nanomaterials (CFN). Als het vroegere werk door Troep en zijn collega's, maakt gebruik deze techniek van de hoge specificiteit samen van band tussen bijkomende bundels van DNA aan link deeltjes op een nauwkeurige manier.
In de huidige studie, hadden de linker van DNA molecules drie bandplaatsen. De twee einden van de bundels werden ontworpen om aan bijkomende bundels op „plasmonic“ goud te binden nanoparticles - deeltjes waarin een bepaalde golflengte van licht een collectieve schommeling van de geleidende elektronen veroorzaakt, die tot sterke absorptie van licht bij die golflengte leiden. Het interne deel van elke linker van DNA was gecodeerd om een bijkomende bundel te erkennen chemisch verbindend aan een fluorescente kleurstofmolecule. Deze opstelling resulteerde in de zelf-assemblage van 3-D lichaam gecentreerde kubieke kristallijne die structuren met goud nanoparticles bij elke hoek van de kubus wordt gevestigd en in het centrum, met kleurstofmolecules bij bepaalde posities binnen - tussen.
De wetenschappers toonden ook aan dat de geassembleerde structuren dynamisch kunnen worden gestemd door de zoute concentratie van de oplossing te veranderen waarin zij worden gevormd. De Veranderingen in zoutgehalte veranderen de lengte negatief van - de geladen molecules van DNA, die tot omkeerbare samentrekking en uitbreiding van het gehele rooster door ongeveer 30 percenten in lengte leiden.
„Men heeft lang begrepen dat de afstand tussen metaal nanoparticles en in paren gerangschikte kleurstofmolecules de optische eigenschappen van de laatstgenoemden,“ bovengenoemde Matthew Sfeir, medeauteur en een optische wetenschapper bij CFN kan beïnvloeden. In dit die experiment, stonden de uitbreiding en de samentrekking van het kristalrooster door de veranderingen in zoute concentratie wordt teweeggebracht voor een dramatische modulatie van een optische reactie toe: een drievoudige verhoging van het emissietarief werd fluorescente molecules waargenomen.
Deze resultaten werden bepaald gebruikend een combinatie zich het kleine hoek x-ray verspreiden bij Lichtbron van het Synchotron van Brookhaven de Nationale (NSLS) en tijd-vastbesloten fluorescente methodes bij CFN. „Deze combinatie op synchotron-gebaseerde structurele methodes en tijd-vastbesloten optische weergavetechnieken verstrekte onschatbaar direct inzicht in het verband tussen de structuur en de fluorescente eigenschappen hiervan licht uitzendend series,“ bovengenoemde Troep.
„Onze studie bespreekt belangrijke kwesties over de zelf-assemblage van systemen van componenten van veelvoudige types. Dergelijke systemen staan potentieel voor de modulatie van eigenschappen van individuele componenten toe, en zouden tot de totstandkoming van nieuw gedrag kunnen leiden toe te schrijven aan collectieve gevolgen. Deze assemblagebenadering kan worden toegepast om dergelijk collectief gedrag van driedimensionele nano-optische series te onderzoeken - bijvoorbeeld, de invloed van het plasmonic rooster op quantumpunten.
Een „inzicht in deze interactie zou voor het ontwikkelen van nieuwe optische materialen voor photovoltaic, photocatalysis, gegevensverwerking, en lichtgevende toepassingen relevant zijn. Wij hebben nu een benadering om tot deze structuren en verdere studie deze gevolgen te maken.“
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Bureau van DOE van Wetenschap. Naast Troep en Sfeir, was Huiming Xiong van de CFN en Universiteit van Shanghai Jiao Tong een medeauteur op dit werk.
Het Centrum voor Functionele Nanomaterials bij BNL is één van de vijf Onderzoekscentra van de Wetenschap van DOE Nanoscale, Eerste nationale gebruikersfaciliteiten voor interdisciplinair onderzoek bij nanoscale die door het Bureau van DOE van Wetenschap worden gesteund. Samen bestaat NSRCs uit een reeks van bijkomende faciliteiten die onderzoekers van overzichtsmogelijkheden voorzien om nanoscale materialen te vervaardigen, te verwerken te kenmerken en te modelleren, en de grootste infrastructuurinvestering van het Nationale Initiatief van de Nanotechnologie te vormen. NSRCs wordt gevestigd in Argonne van DOE, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge en de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos.