Исследователи Северо-Западного университета разработали первую в своем роде технику для создания совершенно новых классов оптических материалов и устройств, которые могут привести к искривлению света и устройствам маскировки - новости, которые заставят уши Спока из «Звездного пути» оживиться.
Используя ДНК в качестве ключевого инструмента, междисциплинарная команда взяла наночастицы золота разных размеров и форм и расположила их в двух и трех измерениях, чтобы сформировать оптически активные сверхрешетки. Ученые сообщают, что структуры с определенной конфигурацией можно запрограммировать путем выбора типа частиц, а также структуры и последовательности ДНК, чтобы они отображали практически любой цвет в видимом спектре.
«Архитектура - это все при разработке новых материалов, и теперь у нас есть новый способ точного управления архитектурой частиц на больших площадях», - сказал Чад А. Миркин, профессор химии им. Джорджа Б. Ратмана в Колледже Вайнберга. Искусств и наук на Северо-Западе. «Химики и физики смогут построить почти бесконечное количество новых структур со всевозможными интересными свойствами. Эти структуры невозможно создать ни одним из известных методов».
Техника объединяет старый метод изготовления - литографию сверху вниз, тот же метод, который использовался для изготовления компьютерных чипов, - с новым - программируемой самосборкой, управляемой ДНК. Северо-западная команда первой объединила эти два метода для достижения индивидуального контроля частиц в трех измерениях.
Исследование было опубликовано онлайн журналом Science сегодня (18 января). Миркин и Винаяк П. Дравид и Корай Айдин, профессора Инженерной школы Маккормика на Северо-Западе, являются соавторами.
Ученые смогут использовать мощную и гибкую технику для создания метаматериалов - материалов, не встречающихся в природе - для целого ряда приложений, включая датчики для медицинских и экологических целей.
Исследователи использовали комбинацию численного моделирования и методов оптической спектроскопии для идентификации конкретных сверхрешеток наночастиц, которые поглощают определенные длины волн видимого света. ДНК-модифицированные наночастицы - в данном случае золотые - располагаются на заранее подготовленном шаблоне, состоящем из комплементарной ДНК. Стопки структур могут быть созданы путем введения второй, а затем третьей ДНК-модифицированной частицы с ДНК, комплементарной последующим слоям.
В дополнение к необычной архитектуре, эти материалы реагируют на раздражители: нити ДНК, которые удерживают их вместе, изменяют длину при воздействии новых условий, таких как растворы этанола различной концентрации. Исследователи обнаружили, что изменение длины ДНК приводит к изменению цвета с черного на красный и зеленый, что обеспечивает исключительную гибкость оптических свойств.
«Настройка оптических свойств метаматериалов является серьезной проблемой, и наше исследование достигает одного из самых высоких диапазонов настройки, достигнутых на сегодняшний день в оптических метаматериалах», - сказал Айдин, доцент кафедры электротехники и информатики в McCormick.
"Наша новая платформа для метаматериалов, обеспечиваемая точным и экстремальным контролем формы, размера и расстояния между наночастицами золота, имеет большие перспективы для оптических метаматериалов и метаповерхностей следующего поколения", - сказал Айдин.
Исследование описывает новый способ организации наночастиц в двух и трех измерениях. Исследователи использовали методы литографии для сверления крошечных отверстий шириной всего в одну наночастицу в полимерном резисте, создавая «посадочные площадки» для компонентов наночастиц, модифицированных цепочками ДНК. По словам Миркина, посадочные площадки необходимы, так как они удерживают структуры, выращенные вертикально.
Наноскопические посадочные площадки модифицированы одной последовательностью ДНК, а наночастицы золота модифицированы комплементарной ДНК. Чередуя наночастицы с комплементарной ДНК, исследователи построили стопки наночастиц с огромным контролем положения и на большой площади. Частицы могут быть разных размеров и форм (например, сферы, кубы и диски).
«Этот подход можно использовать для построения периодических решеток из оптически активных частиц, таких как золото, серебро и любой другой материал, который можно модифицировать с помощью ДНК, с необычайной наноразмерной точностью», - сказал Миркин, директор Северо-западного международного института. для нанотехнологий.
Миркин также является профессором медицины в Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета и профессором химической и биологической инженерии, биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии в Школе Маккормика.
Успех программируемой сборки ДНК, о которой сообщалось, потребовал опыта работы с гибридными (мягко-твердыми) материалами и изысканных наноструктур и литографических возможностей для достижения необходимого пространственного разрешения, четкости и точности на больших площадях подложки. Команда проекта обратилась к Дравиду, давнему сотруднику Миркина, который специализируется на создании нанопаттернов, расширенной микроскопии и характеристике мягких, твердых и гибридных наноструктур.
Дравид поделился своим опытом и помог в разработке стратегии создания наноструктуры и литографии, а также соответствующей характеристики новых экзотических структур. Он является профессором материаловедения и инженерии Абрахама Харриса в Маккормике и директором-основателем центра NUANCE, в котором хранятся передовые модели, литография и характеристики, используемые в структурах, запрограммированных ДНК.