混合纳米颗粒生产复合材料的新方法

DNA接头允许不同种类的纳米颗粒自组装并形成相对大的纳米复合阵列。这种方法允许混合和匹配用于设计多功能材料的组件。

Brookhaven National Laboratory的科学家的新出版的研究表明了使用DNA和羧基缀合的非均质纳米粒子超晶格的一般策略。

UPTON，NY - 美国能源部布鲁克海汶国家实验室的科学家们已经开发出一种结合不同类型的纳米颗粒生产大规模复合材料的一般方法。本技术在2013年10月20日由自然纳米技术发布的一篇文章中描述的是，为不同的磁，光学或化学性质进行混合和匹配颗粒，以形成新的多功能材料或具有增强的性能的粒子潜在的应用。

该方法利用了基于由字母A，T，G和C已知的匹配碱的序列中携带遗传密码的分子具有吸引性的合成DNA的互补链的配对。在用化学涂覆纳米粒子之后标准化的“建筑平台”并添加了DNA可以容易地结合的增量分子，科学家将互补的实验室设计的DNA链连接到他们想要连接的两种不同类型的纳米粒子。然后将匹配股线的自然配对“自组装”颗粒成三维阵列，由数十亿颗粒组成。改变DNA接头的长度，它们对粒子的表面密度以及其他因素使科学家能够控制和优化不同类型的新形成的材料及其性质。

“我们的研究表明，DNA驱动的组装方法使得通过现在可用的广泛纳米组分的大规模”超晶格“纳米复合材料的逐个设计产生 - 包括磁性，催化和荧光纳米颗粒，”布鲁克霍夫医药学家Oleg Gang说LED在实验室的功能纳米材料（CFN）中的研究。“此提升在我们以前的工作中建立了更简单的系统，在那里我们演示了具有不同功能的配对纳米颗粒可以影响近颗粒的性能，并且为新材料制造具有组合，增强甚至全新功能的途径。 “

未来的应用可以包括量子点，其发光荧光可以由用于新型开关或传感器的外部磁场控制;金纳米粒子协同增强量子点荧光发光的亮度; Gang表示，吸收通常降低其性能的“毒药”的催化纳米材料。

“现代纳米综合方法为科学家提供了来自各种原子元素的持纳米粒子的科学家，”南张先生的第一个作者尤加张说。“通过我们的方法，科学家可以以理性的方式探索这些颗粒的配对。”

配对不同的颗粒呈现出许多挑战科学家在通往本文的工作中调查的。要了解各种新成型材料的基本方面，它们使用广泛的技术，包括Brookhaven的国家同步射箭光源（NSL）和CFN的光谱和电子显微镜的X射线散射研究。

例如，科学家们探讨了颗粒形状的影响。“原则上，不同形状的颗粒不想在一个格子中共存，”Gang说。“它们要么倾向于将不同的阶段分开，拒绝混合或形成无序的结构。”科学家发现DNA不仅有助于粒子混合，而且当使用颗粒周围的较厚的DNA壳时，还可以改善这种系统的顺序。

他们还研究了DNA配对机构和其他内在物理力如何，例如颗粒之间的磁吸引，这可能在组装过程中竞争。例如，磁性颗粒倾向于丛丛以形成可以阻碍DNA与另一种颗粒的结合的聚集体。“我们展示较短的DNA股线在竞争磁吸引力方面更有效，”Gang说。

对于它们所产生的金和磁性纳米粒子的特定复合，科学家发现，应用外部磁场可以“切换”材料的相位并影响颗粒的排序。“这只是可以完成的示范，但它可以具有申请 - 可能是磁力开关，或者可能能够按需改变形状的材料，”张。

科学家们探索的第三个基本因素是如何在超晶格阵列中订购粒子：一种类型的粒子是否总是占据相对于其他类型的男孩和女孩在电影院中交替座位上的相同位置 - 或者它们是更随机的吗？“这就是我们所谓的组成顺序，这对于量子点来说是重要的，因为它们的光学性质 - 例如，它们的发光能力 - 依赖于周围环境中的多少金纳米粒子，”Gang说。“如果您具有组成障碍，则光学性质将是不同的。”在实验中，增加颗粒周围的软DNA壳的厚度增加了组成障碍。

这些基本原则为科学家提供了设计新材料的框架。特定应用所需的具体条件将取决于所使用的颗粒，张强调，但大会方法将是相同的。

所述团伙，“我们可以改变DNA股的长度以将粒子之间的距离改变为约10纳米至100纳米的距离 - 这对于纳米颗粒的许多光学，磁性和其他性质来说是重要的规模。我们被途径兴奋，这项研究在未来的工程新颖的材料方向方面开放，利用集体效应和多功能性。“

这项研究由美国能源部科学办公室资助。

出版物：Yugang Zhang等，“DNA介导的功能纳米颗粒的一般策略成为异构体系，”自然纳米技术，2013; DOI：10.1038 / nnano.2013.209

图像：布鲁克黑文国家实验室