La imagen superior es una fotografía de minerales macroscópicos existentes de forma natural que muestra que las facetas son un atributo común en los sistemas cristalinos de átomos. La imagen de la parte inferior izquierda es una imagen de microscopio electrónico de microcristales facetados que consisten en nanopartículas ensambladas a través de interacciones de ADN, un esquema del cual se proporciona en la imagen inferior derecha de una simulación de dinámica molecular del sistema. La forma observada del cristal de nanopartículas es un dodecaedro rómbico, un poliedro de 12 caras, que es la estructura cristalina de equilibrio de muchos sistemas metálicos con un empaquetamiento cúbico de átomos centrado en el cuerpo. Crédito:Evelyn Auyeung / Ting Li / Chad A. Mirkin / Monica Olvera de la Cruz
La naturaleza construye diamantes impecables, zafiros y otras gemas. Ahora, un equipo de investigación de la Northwestern University es el primero en construir monocristales casi perfectos a partir de nanopartículas y ADN. utilizando la misma estructura favorecida por la naturaleza.
"Los monocristales son la columna vertebral de muchas cosas en las que confiamos:diamantes para la belleza y aplicaciones industriales, zafiros para láseres y silicio para electrónica, "dijo el nanocientífico Chad A. Mirkin." La ubicación precisa de los átomos dentro de una red bien definida define estos cristales de alta calidad.
"Ahora podemos hacer lo mismo con los nanomateriales y el ADN, el plano de la vida, ", Dijo Mirkin." Nuestro método podría conducir a tecnologías novedosas e incluso permitir nuevas industrias, tanto como la capacidad de cultivar silicio en arreglos cristalinos perfectos hizo posible la multimillonaria industria de semiconductores ".
Su grupo de investigación desarrolló la "receta" para usar nanomateriales como átomos, ADN como enlaces y un poco de calor para formar pequeños cristales. Esta receta de cristal único se basa en técnicas de superrejilla que el laboratorio de Mirkin ha estado desarrollando durante casi dos décadas.
En este trabajo reciente, Mirkin, un experimentalista, se asoció con Monica Olvera de la Cruz, un teórico, para evaluar la nueva técnica y desarrollar una comprensión de la misma. Dado un conjunto de nanopartículas y un tipo específico de ADN, Olvera de la Cruz demostró que pueden predecir con precisión la estructura 3-D, o forma de cristal, en el que los componentes desordenados se autoensamblarán.
Mirkin es profesor de química George B. Rathmann en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg. Olvera de la Cruz es Lawyer Taylor Professor y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la McCormick School of Engineering and Applied Science. Los dos son coautores principales del estudio.
Los resultados se publicarán el 27 de noviembre en la revista Naturaleza .
El conjunto general de instrucciones brinda a los investigadores un control sin precedentes sobre el tipo y la forma de los cristales que pueden construir. El equipo de Northwestern trabajó con nanopartículas de oro, pero la receta se puede aplicar a una variedad de materiales, con aplicaciones potenciales en los campos de la ciencia de los materiales, fotónica, electrónica y catálisis.
El ADN se utiliza como modelo y como bloque de construcción básico para la construcción de cristales bien definidos. Mediante el uso de interacciones de ADN programadas, Las nanopartículas se ensamblan en celosías ordenadas que forman los componentes estructurales que forman cristales tridimensionales con una forma bien definida. Crédito:Evelyn Auyeung / Ting Li / Chad A. Mirkin / Monica Olvera de la Cruz
Un solo cristal tiene orden:su enrejado cristalino es continuo e ininterrumpido. La ausencia de defectos en el material puede dar a estos cristales una mecánica única, propiedades ópticas y eléctricas, haciéndolos muy deseables.
En el estudio de Northwestern, hebras de ADN complementario actúan como enlaces entre nanopartículas de oro desordenadas, transformándolos en un cristal ordenado. Los investigadores determinaron que la relación entre la longitud del enlazador de ADN y el tamaño de la nanopartícula es fundamental.
"Si obtiene la proporción correcta, hace un cristal perfecto, ¿no es divertido?" dijo Olvera de la Cruz, quien también es profesor de química en el Weinberg College of Arts and Sciences. "Eso es lo fascinante, que tienes que tener la proporción correcta. Estamos aprendiendo tantas reglas para calcular cosas que otras personas no pueden calcular en átomos, en cristales atómicos ".
La proporción afecta la energía de las caras de los cristales, que determina la forma final del cristal. Las proporciones que no siguen la receta provocan grandes fluctuaciones en la energía y dan como resultado una esfera, no un cristal facetado, Ella explicó. Con la proporción correcta, las energías fluctúan menos y dan como resultado un cristal cada vez.
"Imagina tener un millón de bolas de dos colores, algo de rojo algo de azul, en un recipiente, e intentas agitarlos hasta que se alternan bolas rojas y azules, "Explicó Mirkin." Nunca sucederá.
"Pero si adjunta ADN que es complementario a las nanopartículas, el rojo tiene un tipo de ADN, decir, el azul es su complemento, y ahora tiemblas, o en nuestro caso, simplemente revuelva en agua, todas las partículas se encontrarán entre sí y se unirán, ", dijo." Se ensamblan maravillosamente en un cristal tridimensional que predijimos computacionalmente y realizamos experimentalmente ".
Para lograr un monocristal autoensamblante en el laboratorio, el equipo de investigación informa que tomó dos conjuntos de nanopartículas de oro equipadas con hebras de enlace de ADN complementarias. Trabajando con aproximadamente 1 millón de nanopartículas en agua, Calentaron la solución a una temperatura justo por encima del punto de fusión de los enlazadores de ADN y luego enfriaron lentamente la solución a temperatura ambiente. que tomó dos o tres días.
El proceso de enfriamiento muy lento alentó al ADN monocatenario a encontrar su complemento, dando como resultado un monocristal de alta calidad de aproximadamente tres micrones de ancho. "El proceso le da al sistema suficiente tiempo y energía para que todas las partículas se organicen y encuentren los lugares en los que deberían estar, "Dijo Mirkin.
Los investigadores determinaron que la longitud del ADN conectado a cada nanopartícula de oro no puede ser mucho más larga que el tamaño de la nanopartícula. En el estudio, las nanopartículas de oro variaban de cinco a 20 nanómetros de diámetro; para cada, la longitud del ADN que condujo a la formación de cristales fue de aproximadamente 18 pares de bases y seis "extremos pegajosos" de una sola base.
"No hay ninguna razón por la que no podamos hacer crecer monocristales extraordinariamente grandes en el futuro usando modificaciones de nuestra técnica, "dijo Mirkin, quien también es profesor de medicina, ingeniería química y biológica, ingeniería biomédica y ciencia e ingeniería de materiales y director del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern.
El título del artículo es "Cristalización de nanopartículas mediada por ADN en poliedros de Wulff".
Además de Mirkin y Olvera de la Cruz, los autores del artículo son Evelyn Auyeung (primer autor), Ting I. N. G. Li, Andrew J. Senesi, Abrin L. Schmucker y Bridget C. Pals, todos del noroeste.
