Las nanopartículas unidas por hebras de ADN complementarias forman una superrejilla bcc cuando se agregan capa por capa a un sustrato recubierto de ADN. Cuando el ADN del sustrato es todo un tipo, la superred se forma con una orientación diferente (fila superior) que si el sustrato tiene ambos conectores de ADN (fila inferior). Los patrones de dispersión de GISAXS (derecha) y las micrografías electrónicas de barrido (recuadro) revelan la estructura de superrejilla.
(Phys.org) - Soñar con nanoestructuras que tengan ópticas deseables, electrónico, o propiedades magnéticas es una cosa. Descubrir cómo hacerlos es otra. Una nueva estrategia utiliza las propiedades de unión de hebras complementarias de ADN para unir nanopartículas entre sí y construye una nanoestructura de película delgada en capas a través de una serie de pasos controlados. La investigación en la Fuente de Fotones Avanzados de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Ha revelado la forma precisa que adoptaron las estructuras, y señala formas de ejercer un control aún mayor sobre el arreglo final.
La idea de usar ADN para contener nanopartículas fue ideada hace más de 15 años por Chad Mirkin y su equipo de investigación en la Universidad Northwestern. Adjuntaron trozos cortos de ADN monocatenario con una secuencia determinada a algunas nanopartículas, y luego adjunta el ADN con la secuencia complementaria a otros. Cuando se permitió que las partículas se mezclaran, los "extremos pegajosos" del ADN conectados entre sí, permitiendo la agregación y desagregación reversibles dependiendo de las propiedades de hibridación de los enlazadores de ADN.
Recientemente, este "pegamento inteligente" de ADN se ha utilizado para ensamblar nanopartículas en arreglos ordenados que se asemejan a redes de cristales atómicos, pero a mayor escala. Hasta la fecha, superredes de nanopartículas se han sintetizado en más de 100 formas cristalinas, incluidos algunos que nunca se han observado en la naturaleza.
Sin embargo, estas superredes son típicamente policristalinas, y el tamaño, número, y la orientación de los cristales dentro de ellos es generalmente impredecible. Para ser útiles como metamateriales, cristales fotónicos, y similares, Se necesitan superredes simples con tamaño uniforme y orientación fija.
Los investigadores de Northwestern y un colega del Laboratorio Nacional Argonne han ideado una variación en el procedimiento de enlace del ADN que permite un mayor grado de control.
Los elementos básicos de la superrejilla eran nanopartículas de oro, cada 10 nanómetros de ancho. Estas partículas se hicieron en dos variedades distintas, uno adornado con aproximadamente 60 hebras de ADN de una determinada secuencia, mientras que el otro llevaba la secuencia complementaria.
Los investigadores construyeron superredes de película delgada sobre un sustrato de silicio que también estaba recubierto con hebras de ADN. En un conjunto de experimentos, el ADN del sustrato era todo de una secuencia, llamémosle secuencia "B", y primero se sumergió en una suspensión de nanopartículas con la secuencia complementaria "A".
Cuando A y B terminan conectados, las nanopartículas formaron una sola capa sobre el sustrato. Luego se repitió el proceso con una suspensión de las nanopartículas tipo B, para formar una segunda capa. Todo el ciclo se repitió, hasta cuatro veces más, para crear una superrejilla de nanopartículas multicapa en forma de película delgada.
Los estudios de dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante (GISAXS) llevados a cabo en la línea de luz 12-ID-B de la División de Ciencias de Rayos X en la Fuente de Fotones Avanzados de Argonne revelaron la simetría y orientación de las superredes a medida que se formaban. Incluso después de solo tres medios ciclos, el equipo descubrió que las nanopartículas se habían dispuesto en un bien definido, estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), que se mantuvo a medida que se añadían más capas.
En una segunda serie de experimentos, los investigadores sembraron el sustrato con una mezcla de los tipos A y B de hebra de ADN. La exposición sucesiva a los dos tipos de nanopartículas produjo la misma superrejilla bcc, pero con una orientación vertical diferente. Es decir, en el primer caso, el sustrato yacía en un plano a través de la celosía que contiene solo un tipo de nanopartícula, mientras que en el segundo caso, el avión contenía un patrón alterno de ambos tipos (ver la figura).
Para obtener un crecimiento de superrejilla ordenada, los investigadores tuvieron que realizar el proceso a la temperatura adecuada. Muy frío, y las nanopartículas se adhieren al sustrato de forma irregular, y permanecer estancado. Demasiado caliente, y los vínculos del ADN no se mantendrían unidos.
Pero en un rango de temperatura de un par de grados a cada lado de aproximadamente 40 ° C (justo por debajo de la temperatura a la que los extremos pegajosos del ADN se desprenden entre sí), las nanopartículas pudieron enlazarse y desvincularse continuamente entre sí. Durante un período de aproximadamente una hora por medio ciclo, se instalaron en la superrejilla bcc, la disposición más estable termodinámicamente.
GISAXS también reveló que aunque el sustrato forzó superredes en alineaciones verticales específicas, permitió que los cristales de nanopartículas se formaran en cualquier orientación horizontal. Los investigadores ahora están explorando la posibilidad de que al modelar el sustrato de una manera adecuada, pueden controlar la orientación de los cristales en ambas dimensiones, aumentando el valor práctico de la técnica.
