Los científicos de BNL utilizaron enlazadores de ADN con tres sitios de unión ("hilos" negros) para conectar nanopartículas de oro (esferas naranja y roja) y moléculas de colorante fluorescente (esferas azules) marcadas con secuencias de ADN complementarias. Estas unidades se autoensamblan para formar una celosía cúbica en el centro del cuerpo con nanopartículas en las esquinas y en el centro, y moléculas de colorante fluorescente en el medio.
(PhysOrg.com) - Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Informan sobre el primer ensamblaje exitoso de estructuras de nanoescala multicomponente tridimensionales con propiedades ópticas sintonizables que incorporan partículas que absorben y emiten luz. Este trabajo, utilizando ADN sintético como componente programable para unir las nanopartículas, demuestra la versatilidad de la nanotecnología basada en ADN para la fabricación de clases funcionales de materiales, particularmente ópticos, con posibles aplicaciones en dispositivos de conversión de energía solar, sensores, y circuitos a nanoescala. La investigación se publicó en línea el 29 de septiembre de 2010, en el diario Nano letras .
“Por primera vez hemos demostrado una estrategia para el montaje de 3-D, bien definido, estructuras ópticamente activas que utilizan componentes codificados por ADN de diferentes tipos, ”Dijo el autor principal Oleg Gang del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven. Como en trabajos anteriores de Gang y sus colegas, esta técnica hace uso de la alta especificidad de la unión entre hebras complementarias de ADN para unir partículas de una manera precisa.
En el estudio actual, las moléculas enlazadoras de ADN tenían tres sitios de unión. Los dos extremos de las hebras se diseñaron para unirse a hebras complementarias en nanopartículas de oro "plasmónicas", partículas en las que una determinada longitud de onda de luz induce una oscilación colectiva de los electrones conductores. conduciendo a una fuerte absorción de luz en esa longitud de onda. La parte interna de cada enlazador de ADN se codificó para reconocer una hebra complementaria unida químicamente a una molécula de colorante fluorescente. Esta configuración resultó en el autoensamblaje de estructuras cristalinas cúbicas centradas en el cuerpo en 3-D con nanopartículas de oro ubicadas en cada esquina del cubo y en el centro, con moléculas de colorante en posiciones definidas intermedias.
Los científicos también demostraron que las estructuras ensambladas se pueden ajustar dinámicamente alterando la concentración de sal de la solución en la que se forman. Los cambios en la salinidad alteran la longitud de las moléculas de ADN cargadas negativamente, lo que lleva a la contracción y expansión reversibles de toda la celosía en aproximadamente un 30 por ciento de longitud.
“Se sabe desde hace mucho tiempo que la distancia entre las nanopartículas metálicas y las moléculas de colorante emparejadas puede afectar las propiedades ópticas de estas últimas, "Dijo Matthew Sfeir, coautor y científico óptico del CFN. En este experimento, la expansión y contracción de la red cristalina provocada por los cambios en la concentración de sal permitió una modulación espectacular de una respuesta óptica:se observó un aumento de tres veces en la tasa de emisión de las moléculas fluorescentes.
Las estructuras tridimensionales resultantes podrían ajustarse ajustando la concentración de sal. A medida que aumentaba la concentración de sal, los cristales se contrajeron en aproximadamente un 30 por ciento, disminuyendo la distancia (D) entre las partículas. Esta contracción en la distancia entre partículas tuvo un efecto dramático en la fluorescencia de las moléculas de tinte, haciéndolos ciclar fotones más rápido, como lo indica la escala de colores a la izquierda de las imágenes de cristal (ver imagen a continuación), que oscila entre casi 2 nanosegundos por ciclo para el tinte libre (A), a aproximadamente 0,7 nanosegundos por ciclo en celosías más grandes (C), a poco más de 0,3 nanosegundos por ciclo para los cristales contraídos (E).
Estos resultados se determinaron mediante una combinación de dispersión de rayos X de ángulo pequeño en la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS) y métodos fluorescentes de resolución temporal en el CFN. “Esta combinación de métodos estructurales basados en sincrotrón y técnicas de imágenes ópticas resueltas en el tiempo brindó información directa invaluable sobre la relación entre la estructura y las propiedades fluorescentes de estas matrices emisoras de luz, "Dijo Gang.
“Nuestro estudio aborda cuestiones importantes sobre el autoensamblaje de sistemas a partir de componentes de múltiples tipos. Estos sistemas permiten potencialmente la modulación de propiedades de componentes individuales, y podría dar lugar a la aparición de nuevos comportamientos debido a efectos colectivos. Este enfoque de ensamblaje se puede aplicar para explorar dicho comportamiento colectivo de matrices nanoópticas tridimensionales, por ejemplo, la influencia de la red plasmónica en los puntos cuánticos.
“Comprender estas interacciones sería relevante para desarrollar nuevos materiales ópticos para energía fotovoltaica, fotocatálisis, informática, y aplicaciones emisoras de luz. Ahora tenemos un enfoque para hacer estas estructuras y estudiar más a fondo estos efectos ".
