X射線幫助科學家利用設計師DNA發現新形式的材料

由西北大學和密歇根大學領導的一個研究小組開發了一種將顆粒組裝成膠體晶體的新方法，膠體晶體是一種用于化學和生物傳感和光檢測設備的有價值的材料。使用這種方法，該團隊首次展示了如何以自然界中沒有的方式設計這些晶體。

該團隊使用能源部(DOE)科學辦公室位于能源部阿貢國家實驗室的先進光子源(APS)來確認他們的關鍵發現。

“強大的X射線束可以進行研究此類裝配所需的高分辨率測量。APS是進行這項研究的理想設施，”阿貢國家實驗室的ByeongduLee說道。

“我們發現了制造新材料系統的基本原理，”西北大學溫伯格文理學院的GeorgeB.Rathmann化學教授ChadA.Mirkin說。“這種打破對稱性的策略改寫了材料設計和合成的規則。”

該研究由密歇根大學化學工程系主任AnthonyC.Lembke的Mirkin和SharonC.Glotzer指導，并發表在NatureMaterials雜志上。

膠體晶體是非常小的顆粒，其他更小的顆粒(稱為納米顆粒)以有序或對稱的方式排列在它們內部。它們可以設計用于從光傳感器和激光器到通信和計算的應用。在這項研究中，科學家們試圖打破自然界的自然對稱性，這種對稱性往往會以最對稱的方式排列微小的粒子。

“想象一下，你正在把籃球堆在一個盒子里，”阿貢大學的ByeongduLee說，他是APS的組長，也是該論文的作者。“你會有一種特定的方法，可以從空間中獲得最大價值。這就是大自然的做法。”

然而，Lee說，如果這些球有一定程度的癟了，你可以將它們堆疊成不同的模式。他說，研究小組正在嘗試對納米材料做同樣的事情，教它們自組裝成新的圖案。

在這項研究中，科學家們使用了DNA，這是細胞內攜帶遺傳信息的分子。科學家們已經對DNA有了足夠的了解，能夠對其進行編程以遵循特定的指令。該研究小組使用DNA來教金屬納米粒子組裝成新的配置。研究人員將DNA分子附著在不同大小的納米粒子表面，發現較小的粒子在它們之間的間隙中圍繞較大的粒子移動，同時仍將這些粒子結合在一起形成一種新材料。

“使用大大小小的納米粒子，其中較小的納米粒子像金屬原子晶體中的電子一樣四處移動，是構建復雜膠體晶體結構的全新方法，”格洛澤說。

通過調整這種DNA，科學家們改變了小電子當量粒子的參數，從而改變了產生的晶體。

“我們探索了更復雜的結構，在這些結構中，控制每個粒子周圍的鄰居數量會產生進一步的對稱性破壞，”格洛澤說。“我們的計算機模擬有助于破譯復雜的模式并揭示使納米粒子能夠創造它們的機制。”

這種方法為三個新的、從未合成的結晶相奠定了基礎，其中一個沒有已知的天然等效物。

“膠體粒子集合體在自然原子系統中總是有一些類比，”李說。“這次我們發現的結構是全新的。它的組裝方式，我們還沒有看到金屬、金屬合金或其他材料自然地以這種方式組裝起來。”

“我們還不知道這種材料的物理特性，”李說。“現在我們把它交給材料科學家來創造和研究這種材料。”

該團隊使用APS的超亮X射線束來確認其晶體的新結構。他們在光束線5-ID和12-ID上使用高分辨率小角度X射線散射儀器來創建他們創建的粒子排列的精確圖片。

“強大的X射線束可以實現研究此類組件所需的高分辨率測量，”Lee說。“APS是進行這項研究的理想設施。”

APS目前正在進行大規模升級，Lee指出，這將使科學家們能夠在未來確定更復雜的結構。12-ID的儀器也在升級，以充分利用可用的更亮的X射線束。

這些低對稱性膠體晶體具有其他晶體結構無法實現的光學特性，可能會在廣泛的技術中得到應用。它們的催化性能也不同。但是，既然已經了解了破壞對稱性的條件，那么這里公布的新結構只是可能性的開始。

“我們正處于一個前所未有的材料合成和發現時代，”米爾金說。“這是將新的、未開發的材料從速寫本中引入到可以利用其稀有和不尋常特性的應用中的又一步。”