Röntgenstralen helpen wetenschappers designer-DNA te gebruiken om nieuwe vormen van materiaal te ontdekken

Een onderzoeksteam onder leiding van de Northwestern University en de University of Michigan heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het samenvoegen van deeltjes tot colloïdale kristallen, een waardevol materiaal dat wordt gebruikt voor chemische en biologische detectie- en lichtdetectieapparatuur. Met behulp van deze methode heeft het team voor het eerst laten zien hoe deze kristallen kunnen worden ontworpen op manieren die in de natuur niet voorkomen.

Het team gebruikte de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science in het Argonne National Laboratory van de DOE, om hun cruciale ontdekking te bevestigen.

“Een krachtige röntgenstraal maakt de metingen met hoge resolutie mogelijk die je nodig hebt om dit type assemblage te bestuderen. De APS is een ideale faciliteit om dit onderzoek uit te voeren”, merkte Byeongdu Lee van het Argonne National Laboratory op.

“We hebben iets fundamenteels ontdekt over het systeem voor het maken van nieuwe materialen”, zegt Chad A. Mirkin, de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. “Deze strategie voor het doorbreken van symmetrie herschrijft de regels voor materiaalontwerp en synthese.”

Het onderzoek werd geleid door Mirkin en Sharon C. Glotzer, de Anthony C. Lembke afdelingsvoorzitter van Chemical Engineering aan de Universiteit van Michigan, en werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen.

Colloïdale kristallen zijn zeer kleine deeltjes met andere, kleinere deeltjes (nanodeeltjes genaamd) erin gerangschikt op een geordende of symmetrische manier. Ze kunnen worden ontworpen voor toepassingen van lichtsensoren en lasers tot communicatie en computergebruik. Voor dit onderzoek probeerden wetenschappers de natuurlijke symmetrie van de natuur te doorbreken, die de neiging heeft om kleine deeltjes op de meest symmetrische manier te ordenen.

“Stel je voor dat je basketballen in een doos stapelt”, zegt Byeongdu Lee van Argonne, groepsleider bij de APS en auteur op de krant. “Je zou een specifieke manier hebben om het te doen die maximale waarde uit de ruimte zou halen. Zo doet de natuur het.”

Lee zegt echter dat als de ballen in een bepaalde hoeveelheid leeglopen, je ze in een ander patroon kunt stapelen. Het onderzoeksteam, zei hij, probeert hetzelfde te doen met nanomaterialen, door ze te leren zichzelf te assembleren tot nieuwe patronen.

Voor dit onderzoek gebruikten wetenschappers DNA, het molecuul in cellen dat genetische informatie bevat. Wetenschappers hebben genoeg over DNA geleerd om het te kunnen programmeren om specifieke instructies te volgen. Dit onderzoeksteam gebruikte DNA om metalen nanodeeltjes te leren assembleren tot nieuwe configuraties. Onderzoekers bevestigden DNA-moleculen aan de oppervlakken van nanodeeltjes van verschillende groottes en ontdekten dat de kleinere deeltjes rond de grotere bewogen in de openingen ertussen, terwijl ze de deeltjes nog steeds samenbonden tot een nieuw materiaal.

“Het gebruik van grote en kleine nanodeeltjes, waarbij de kleinere zich verplaatsen als elektronen in een kristal van metaalatomen, is een geheel nieuwe benadering voor het bouwen van complexe colloïdale kristalstructuren,” zei Glotzer.

Door dit DNA aan te passen, veranderden wetenschappers de parameters van de kleine elektron-equivalente deeltjes en veranderden daardoor de resulterende kristallen.

“We hebben meer complexe structuren onderzocht waar controle over het aantal buren rond elk deeltje verdere symmetriebreking veroorzaakte,” zei Glotzer. “Onze computersimulaties hielpen de gecompliceerde patronen te ontcijferen en de mechanismen te onthullen die de nanodeeltjes in staat stelden om ze te creëren.”

Deze aanpak vormde de basis voor drie nieuwe, nooit eerder gesynthetiseerde kristallijne fasen, waarvan er één geen bekend natuurlijk equivalent heeft.

“Colloïdale deeltjesassemblages hebben altijd enige analogie in het natuurlijke atomaire systeem,” zei Lee. “Deze keer is de structuur die we hebben gevonden volledig nieuw. Zoals het assembleert, hebben we metalen, metaallegeringen of andere materialen niet op natuurlijke wijze op deze manier in elkaar gezet.”

“We kennen de fysieke eigenschappen van het materiaal nog niet,” zei Lee. “Nu geven we het aan de materiaalwetenschappers om dit materiaal te maken en te bestuderen.”

Het team gebruikte de ultraheldere röntgenstralen van de APS om de nieuwe structuur van hun kristallen te bevestigen. Ze gebruikten de kleine-hoek röntgenverstrooiingsinstrumenten met hoge resolutie op bundellijnen 5-ID en 12-ID om nauwkeurige foto’s te maken van de rangschikking van deeltjes die ze hadden gecreëerd.

“Een krachtige röntgenstraal maakt de metingen met hoge resolutie mogelijk die je nodig hebt om dit type assemblage te bestuderen,” zei Lee. “Het APS is een ideale faciliteit om dit onderzoek uit te voeren.”

De APS ondergaat momenteel een enorme upgrade, waarvan Lee opmerkte dat wetenschappers in de toekomst nog complexere structuren kunnen bepalen. De instrumenten bij 12-ID worden ook geüpgraded om optimaal te profiteren van de helderdere röntgenstralen die beschikbaar zullen zijn.

Deze colloïdale kristallen met lage symmetrie hebben optische eigenschappen die niet kunnen worden bereikt met andere kristalstructuren en kunnen worden gebruikt in een breed scala aan technologieën. Hun katalytische eigenschappen zijn ook verschillend. Maar de nieuwe structuren die hier worden onthuld, zijn slechts het begin van de mogelijkheden nu de voorwaarden voor het doorbreken van de symmetrie zijn begrepen.

“We bevinden ons midden in een ongekend tijdperk van synthese en ontdekking van materialen,” zei Mirkin. “Dit is weer een stap voorwaarts om nieuwe, onontgonnen materialen uit het schetsboek te halen en in toepassingen te brengen die kunnen profiteren van hun zeldzame en ongebruikelijke eigenschappen.”