Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл

Наноинженеры создали квазикристалл — научно интригующую и технологически перспективную структуру материала — из наночастиц с использованием ДНК, молекулы, кодирующей жизнь.

О результатах работы группы, возглавляемой исследователями из Северо-Западного университета, Мичиганского университета и Центра совместных исследований биоматериалов в Сан-Себастьяне (Испания), сообщается в журнале Nature Materials.

В отличие от обычных кристаллов, структура которых повторяется, узоры в квазикристаллах не повторяются. Квазикристаллы, построенные из атомов, могут обладать исключительными свойствами — например, по-разному поглощать тепло и свет, проявлять необычные электронные свойства, например, проводить электричество без сопротивления, а их поверхность может быть очень твердой или очень скользкой.

Инженеры, изучающие наноразмерную сборку, часто рассматривают наночастицы как своего рода «атомы-конструкторы», которые обеспечивают новый уровень контроля над синтетическими материалами. Одна из задач — направить частицы на сборку в желаемые структуры с полезными свойствами, и, создав первый квазикристалл, собранный с помощью ДНК, команда вышла на новый рубеж в конструировании наноматериалов.

Существование квазикристаллов было загадкой на протяжении десятилетий, и их открытие было удостоено Нобелевской премии, — сказал Чад Миркин, профессор химии Северо-Западного университета Джордж Б. Ратманн и соавтор исследования.

Хотя в настоящее время известно несколько примеров, обнаруженных в природе или случайно, наше исследование раскрывает тайну их образования и, что еще важнее, показывает, как мы можем использовать программируемую природу ДНК для целенаправленного проектирования и сборки квазикристаллов.

Группа Миркина известна использованием ДНК в качестве дизайнерского клея для инженерии формирования коллоидных кристаллов из наночастиц, а группа Луиса Лиз-Марзана, профессора Икербаска из Испанского центра совместных исследований в области биоматериалов, смогла создать наночастицы, которые при правильных условиях могут образовывать квазикристаллы. Группа сосредоточила свое внимание на бипирамидальных формах — по сути, двух пирамидах, скрепленных основаниями. Группа Лиз-Марзана пробовала использовать различное количество граней, а также сжимать и растягивать формы. Вэньцзе Чжоу и Хайсинь Линь, докторанты химического факультета Северо-Западного университета, использовали нити ДНК, закодированные для распознавания друг друга, чтобы запрограммировать частицы на сборку в квазикристалл.

Независимо от этого группа Шэрон Глотцер, заведующей кафедрой химического машиностроения Энтони К. Лембке в Университете штата Массачусетс, занималась моделированием бипирамид с различным количеством граней. Йейн Лим и Сангмин Ли, докторанты химического факультета Университета, обнаружили, что при определенных условиях и правильных относительных размерах десятигранники — десятигранные пентагональные бипирамиды — образуют квазикристалл.

В 2009 г. группа Глотцера предсказала первый квазикристалл слоистых наночастиц, образованный не из бипирамид, а из тетраэдров — одиночных пирамид с четырьмя треугольными гранями, как у кубика D4. Поскольку пять тетраэдров могут практически образовать разновидность декаэдра, она говорит, что декаэдр был разумным выбором для создания квазикристалла.

В нашем первоначальном моделировании квазикристалла тетраэдры складывались в декаэдры с очень маленькими промежутками между тетраэдрами. Здесь эти промежутки заполняются ДНК, поэтому логично предположить, что и декаэдры могут образовывать квазикристаллы, — говорит Глотцер, соавтор исследования.

Благодаря сочетанию теории и эксперимента три исследовательские группы превратили частицы декаэдра в квазикристалл, что было подтверждено с помощью электронной микроскопии, полученной в Северо-Западном университете, и рентгеновского рассеяния, проведенного в Аргоннской национальной лаборатории.

Благодаря успешному созданию коллоидных квазикристаллов мы достигли значительной вехи в области нанонауки, — говорит Лиз-Марзан, соавтор исследования.

Наша работа не только проливает свет на проектирование и создание сложных наноразмерных структур, но и открывает мир возможностей для создания передовых материалов и инновационных нанотехнологий.

Структура напоминает набор розеток в концентрических кругах, 10-гранные формы создают 12-кратную симметрию в двумерных слоях, которые периодически укладываются друг на друга. Такая структура, наблюдаемая также в квазикристаллах из тетраэдров, называется аксиальным квазикристаллом. Но в отличие от большинства аксиальных квазикристаллов, рисунок плиток в слоях нового квазикристалла не повторяется идентично от одного слоя к другому. Вместо этого значительная часть плиток отличается друг от друга случайным образом, и эта небольшая доля беспорядка добавляет стабильности.

02.11.2023