Estas ilustraciones muestran cómo un cristal 3-D hecho de nanopartículas cambia entre dos estados distintos a través de una estructura intermedia (fila superior, medio) cuando se enrollan (izquierda) frente a cadenas de ADN de doble hebra sin bucle (derecha) se utilizan para unir las partículas. Los científicos pudieron medir la distancia entre las partículas en cada estructura registrando patrones de dispersión de rayos X (fila inferior). El cambio de ADN en bucle a sin bucle aumentó la distancia entre partículas en aproximadamente 6 nanómetros.
(PhysOrg.com) - Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han encontrado una nueva forma de utilizar una forma sintética de ADN para controlar el ensamblaje de nanopartículas, esta vez resultando en intercambiables, Estructuras tridimensionales y de pequeños grupos que podrían ser útiles, por ejemplo, como biosensores, en celdas solares, y como nuevos materiales para el almacenamiento de datos. El trabajo se describe en Nanotecnología de la naturaleza, publicado en línea el 20 de diciembre de 2009.
El equipo de Brookhaven, dirigido por el físico Oleg Gang, ha estado refinando técnicas para usar hebras de ADN artificial como un tipo de velcro o pegamento muy específico para unir nanopartículas. Este autoensamblaje basado en ADN es prometedor para el diseño racional de una gama de nuevos materiales para aplicaciones en separación molecular, electrónica, conversión de energía, y otros campos. Pero ninguna de estas estructuras ha tenido la capacidad de cambiar de manera programable en respuesta a estímulos moleculares, hasta ahora.
“Ahora estamos usando un tipo especial de dispositivo de enlace de ADN, una especie de 'pegamento inteligente', que afecta la forma en que las partículas se conectan para crear estructuras que se pueden cambiar entre diferentes configuraciones, ”Dice Gang. Esta confiable, La conmutación reversible podría usarse para regular las propiedades funcionales, por ejemplo, las propiedades de transferencia de energía y fluorescencia de un material:para fabricar nuevos materiales que respondan a las condiciones cambiantes, o alterar sus funciones bajo demanda.
Tal capacidad de respuesta a los cambios en las condiciones ambientales y la capacidad de adoptar nuevas formas son características de los sistemas vivos. De ese modo, Estos nuevos nanomateriales imitan más de cerca a los sistemas biológicos que cualquier nanoestructura anterior. Aunque lejos de cualquier forma de vida verdaderamente "artificial, ”Estos materiales podrían conducir al diseño de máquinas a nanoescala que, a un nivel muy simple, imitar procesos celulares como convertir la luz solar en energía útil, o detectar la presencia de otras moléculas. Los materiales sensibles también tendrían beneficios en el campo de la óptica o para producir materiales porosos regulados para separaciones moleculares. Gang dice.
Los científicos lograron el objetivo de la capacidad de respuesta mediante la creación de estructuras donde la distancia entre las nanopartículas podría controlarse cuidadosamente con precisión nanométrica.
“Muchas características físicas de los nanomateriales, tales como propiedades ópticas y magnéticas, dependen en gran medida de la distancia entre las nanopartículas, "Gang explica.
En sus estudios anteriores, los científicos utilizaron hebras simples de ADN unidas a nanopartículas individuales como moléculas enlazadoras. Cuando los extremos libres de estas hebras de ADN tenían un código genético complementario, se unirían para unir las partículas. Restringir las interacciones al anclar algunas de las partículas en una superficie permitió a los científicos formar de manera confiable una variedad de estructuras, desde grupos de dos partículas (llamados dímeros) hasta cristales de nanopartículas tridimensionales más complejos.
En el nuevo trabajo los científicos han agregado estructuras de ADN de doble hebra más complicadas. A diferencia de las hebras simples, que se enrollan de formas incontrolables, estas estructuras de doble hebra son más rígidas y, por lo tanto, restringen las distancias entre partículas.
Adicionalmente, Algunas de las hebras que componen las moléculas de ADN de doble hebra tienen estructuras complicadas, como bucles, que acercan las partículas unidas que cuando ambas hebras son exactamente paralelas. Variando el tipo de dispositivo de ADN, entre hebras enrolladas y sueltas, y midiendo las distancias entre partículas utilizando técnicas de precisión en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS) y en el Centro de nanomateriales funcionales (CFN), los científicos demostraron que podían controlar eficazmente la distancia entre las partículas y cambiar el sistema de un estado a otro a voluntad.
El enfoque resultó en dos configuraciones, sistemas conmutables tanto en dímeros como en nanocristales, con un cambio de distancia de aproximadamente 6 nanómetros, aproximadamente el 25 por ciento de la distancia entre partículas. Comparando la cinética en los dos sistemas, encontraron que el cambio entre estados es más rápido en el más simple, sistema de dos partículas. Los dímeros también conservan su capacidad para volver a su estado inicial con mayor precisión que los cristales tridimensionales. lo que sugiere que el hacinamiento molecular puede ser un problema para investigar más a fondo en los materiales 3-D.
“Nuestra esperanza es que la capacidad de inducir la reorganización posterior al ensamblaje de estas estructuras mediante la adición de ADN u otras moléculas como estímulos externos, y nuestra capacidad para observar estos cambios con una resolución nanométrica, nos ayudará a comprender estos procesos y encontrar formas de aplicarlos en nuevos tipos de nanomáquinas en las que la funcionalidad del sistema está determinada por las nanopartículas y su organización relativa, ”Dice Gang.
Los estudios futuros harán uso de capacidades de imágenes precisas, como herramientas avanzadas de microscopía electrónica en el CFN y técnicas de rayos X de mayor resolución que estarán disponibles en la nueva fuente de luz de Brookhaven, NSLS-II, ahora en construccion.
