DNA geeft colloïdale kristallen vormverandering en geheugencapaciteiten

Onderzoekers van de Northwestern University hebben een voorheen onbekende eigenschap ontdekt van colloïdale kristallen, sterk geordende driedimensionale arrays van nanodeeltjes.

Het team ontwikkelde colloïdale kristallen met complementaire DNA-strengen en ontdekte dat uitdroging de kristallen verkreukelde, waardoor de DNA-waterstofbindingen werden afgebroken. Maar toen onderzoekers water toevoegden, keerden de kristallen binnen enkele seconden terug naar hun oorspronkelijke staat.

De nieuwe studie beschrijft het vormgeheugen dat optreedt na veranderingen in de structuur van een colloïdaal kristal en dat niet toegankelijk is in andere soorten kristallen. Als reactie op externe stimuli kunnen omkeerbare structurele veranderingen in deze nieuwe materialen leiden tot bijbehorende dynamische functionele veranderingen die ze bruikbaar maken in chemische en biologische detectie, optica en zachte robotica.

De paper wordt op 12 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.

“Het vervormde kristal heeft compleet andere eigenschappen wanneer het wordt afgebroken”, zegt Chad A. Mirkin van Northwestern, die het onderzoek leidde. “Maar DNA keert terug op zijn stappen. Stel je voor dat een huis werd verwoest door een orkaan, maar dat elke spijker en plank terugkeerde naar hun oorspronkelijke plaats om het huis te hervormen nadat de storm voorbij was. Dat is in wezen gelijk aan wat hier gebeurt met deze kristallen op de nanoschaal.”

Mirkin, een pionier op het gebied van nanotechnologie, is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en directeur van het International Institute for Nanotechnology. Mirkin is ook hoogleraar chemische en biologische technologie, biomedische technologie en materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering en hoogleraar geneeskunde aan de Feinberg School of Medicine van de Northwestern University.

De nieuwe eigenschap, die een soort “hyperelasticiteit gekoppeld aan vormgeheugen” is, wordt gecontroleerd door de specifieke sequentie van het deeltjesverbindende DNA en beïnvloedt de structuur en samendrukbaarheid van het object. Door de plasticiteit van het kristal kan het afbreken en dan weer samenkomen.

De ontdekking bouwt voort op het werk dat Mirkin in 1996 begon. Destijds rapporteerde zijn onderzoeksgroep hoe DNA kon worden gebruikt als een sequentiegecodeerd bindingsmateriaal, een lijm die kan worden gebruikt om colloïdale kristallen te bouwen – waarvan sommige structuren en eigenschappen hebben verwant aan conventionele kristallen die in de natuur worden gevonden, terwijl andere structuren en eigenschappen hebben die nooit in de natuur zijn gevonden.

In het manuscript beschrijven de auteurs een nieuwe manier om kristallen te maken die veel groter zijn dan ooit tevoren – die groot genoeg zijn om met het blote oog te kunnen worden waargenomen. Deze ontwikkeling heeft niet alleen de ontdekking van vormgeheugen mogelijk gemaakt, maar heeft deze onderzoekers ook in staat gesteld om nieuwe manieren te ontdekken om kristallen te gebruiken als kracht- en chemische detectoren. Mirkin zei dat hij enthousiast is om te zien hoe de vormgeheugeneigenschap van deze kristallen zal worden gebruikt, bijvoorbeeld in stroomsensoren in fluïdische apparaten op microschaal en in detectoren voor chemische en biologische moleculen. Mirkin overweegt ook manieren om de unieke kristallen te gebruiken om materialen te maken die buitengewone schade kunnen weerstaan ​​en terug kunnen keren naar hun oorspronkelijke staat.

“Dit zijn opmerkelijke materialen – zelfs schade aan de huid, die een aangeboren en opmerkelijk vermogen heeft om te regenereren, laat littekens achter”, zei Mirkin. “In dit geval gebeurt dat niet. De DNA-code in deze kristallen leidt ze terug naar hun oorspronkelijke staat. Dit vermogen zou kunnen helpen bij het beheersen van chemische reacties en het creëren van nieuwe klassen van lichtschakelaars, waarbij ‘aan’ het conventionele kristal is, en ‘uit’ is de vervormde, veroorzaakt door kleine veranderingen in stroming en kracht.”

Het onderzoeksartikel is getiteld “Shape memory in self-adapting colloidal crystals.”