Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл

Наноинженеры создали квазикристалл — научно интригующую и технологически перспективную структуру материала — из наночастиц с использованием ДНК, молекулы, кодирующей жизнь.

О результатах работы группы, возглавляемой исследователями из Северо-Западного университета, Мичиганского университета и Центра совместных исследований биоматериалов в Сан-Себастьяне (Испания), сообщается в журнале Nature Materials.

В отличие от обычных кристаллов, структура которых повторяется, узоры в квазикристаллах не повторяются. Квазикристаллы, построенные из атомов, могут обладать исключительными свойствами — например, по-разному поглощать тепло и свет, проявлять необычные электронные свойства, например, проводить электричество без сопротивления, а их поверхность может быть очень твердой или очень скользкой.

Инженеры, изучающие наноразмерную сборку, часто рассматривают наночастицы как своего рода «атомы-конструкторы», которые обеспечивают новый уровень контроля над синтетическими материалами. Одна из задач — направить частицы на сборку в желаемые структуры с полезными свойствами, и, создав первый квазикристалл, собранный с помощью ДНК, команда вышла на новый рубеж в конструировании наноматериалов.

Существование квазикристаллов было загадкой на протяжении десятилетий, и их открытие было удостоено Нобелевской премии, — сказал Чад Миркин, профессор химии Северо-Западного университета Джордж Б. Ратманн и соавтор исследования.

Хотя в настоящее время известно несколько примеров, обнаруженных в природе или случайно, наше исследование раскрывает тайну их образования и, что еще важнее, показывает, как мы можем использовать программируемую природу ДНК для целенаправленного проектирования и сборки квазикристаллов.

Группа Миркина известна использованием ДНК в качестве дизайнерского клея для инженерии формирования коллоидных кристаллов из наночастиц, а группа Луиса Лиз-Марзана, профессора Икербаска из Испанского центра совместных исследований в области биоматериалов, смогла создать наночастицы, которые при правильных условиях могут образовывать квазикристаллы. Группа сосредоточила свое внимание на бипирамидальных формах — по сути, двух пирамидах, скрепленных основаниями. Группа Лиз-Марзана пробовала использовать различное количество граней, а также сжимать и растягивать формы. Вэньцзе Чжоу и Хайсинь Линь, докторанты химического факультета Северо-Западного университета, использовали нити ДНК, закодированные для распознавания друг друга, чтобы запрограммировать частицы на сборку в квазикристалл.

Независимо от этого группа Шэрон Глотцер, заведующей кафедрой химического машиностроения Энтони К. Лембке в Университете штата Массачусетс, занималась моделированием бипирамид с различным количеством граней. Йейн Лим и Сангмин Ли, докторанты химического факультета Университета, обнаружили, что при определенных условиях и правильных относительных размерах десятигранники — десятигранные пентагональные бипирамиды — образуют квазикристалл.

В 2009 г. группа Глотцера предсказала первый квазикристалл слоистых наночастиц, образованный не из бипирамид, а из тетраэдров — одиночных пирамид с четырьмя треугольными гранями, как у кубика D4. Поскольку пять тетраэдров могут практически образовать разновидность декаэдра, она говорит, что декаэдр был разумным выбором для создания квазикристалла.

В нашем первоначальном моделировании квазикристалла тетраэдры складывались в декаэдры с очень маленькими промежутками между тетраэдрами. Здесь эти промежутки заполняются ДНК, поэтому логично предположить, что и декаэдры могут образовывать квазикристаллы, — говорит Глотцер, соавтор исследования.

Благодаря сочетанию теории и эксперимента три исследовательские группы превратили частицы декаэдра в квазикристалл, что было подтверждено с помощью электронной микроскопии, полученной в Северо-Западном университете, и рентгеновского рассеяния, проведенного в Аргоннской национальной лаборатории.

Благодаря успешному созданию коллоидных квазикристаллов мы достигли значительной вехи в области нанонауки, — говорит Лиз-Марзан, соавтор исследования.

Наша работа не только проливает свет на проектирование и создание сложных наноразмерных структур, но и открывает мир возможностей для создания передовых материалов и инновационных нанотехнологий.

Структура напоминает набор розеток в концентрических кругах, 10-гранные формы создают 12-кратную симметрию в двумерных слоях, которые периодически укладываются друг на друга. Такая структура, наблюдаемая также в квазикристаллах из тетраэдров, называется аксиальным квазикристаллом. Но в отличие от большинства аксиальных квазикристаллов, рисунок плиток в слоях нового квазикристалла не повторяется идентично от одного слоя к другому. Вместо этого значительная часть плиток отличается друг от друга случайным образом, и эта небольшая доля беспорядка добавляет стабильности.

02.11.2023


Подписаться в Telegram



Нано

ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище
ACS Applied Nano Materials: Наноструктуры Au-BiFeO3 сделают планету чище

Потребность в устойчивых и экологичн...

ASC Nano: Ученые придумали, как свернуть нанолист в рулончик
ASC Nano: Ученые придумали, как свернуть нанолист в рулончик

Исследователи из Токийского столичного ун...

Nano Letters: Вибрирующие нанопузырьки помогут усовершенствовать очистку воды
Nano Letters: Вибрирующие нанопузырьки помогут усовершенствовать очистку воды

Новое исследование физики вибрирующих нанопузы...

Nature Nanotechnology: Замена асбеста в строительстве оказалась не менее опасной
Nature Nanotechnology: Замена асбеста в строительстве оказалась не менее опасной

Патогенный потенциал вдыхания инертных волокни...

Nano Letters: Уязвимость ГЭБ у пациентов с Альцгеймером используют для лечения
Nano Letters: Уязвимость ГЭБ у пациентов с Альцгеймером используют для лечения

Нейродегенеративными заболеваниями, такими как...

Electrochemistry Communications: Из нанопагод ZnO разработан фотоэлектрод
Electrochemistry Communications: Из нанопагод ZnO разработан фотоэлектрод

Исследовательская группа, состоящая из со...

LS&A: Исследователи усилили передачу сигнала в перовскитовых нанолистах
LS&A: Исследователи усилили передачу сигнала в перовскитовых нанолистах

Перовскитовые материалы по-прежнему вызывают б...

Nature Communications: В модельном организме ученые нашли наноструктуры
Nature Communications: В модельном организме ученые нашли наноструктуры

У всех представителей животного царства есть ж...

PNAS: Ученые применили нанотехнологии для понимания поведения опухолей
PNAS: Ученые применили нанотехнологии для понимания поведения опухолей

Исследование, проведенное докторантом Пабло С....

Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц
Small: Форма пропеллера поможет обуздать движение наночастиц

Самодвижущиеся наночастицы потенциально могут ...

Science Advances: Нанопластики способствуют развитию болезни Паркинсона
Science Advances: Нанопластики способствуют развитию болезни Паркинсона

Нанопластики взаимодействуют с особым бел...

Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл
Nature Materials: Из наночастиц и ДНК ученые собрали квазикристалл

Наноинженеры создали квазикристалл &mdash...

Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе
Physical Review Fluids: Волновую механику применили в нанометровом масштабе

Исследователи показали, что принципы рабо...

Исследователи создали нанопленку, укрощающую огонь
Исследователи создали нанопленку, укрощающую огонь

Высокотемпературное пламя используется для&nbs...

Ученые разработали нанотатуировки для наблюдения за клетками
Ученые разработали нанотатуировки для наблюдения за клетками

Инженеры разработали наноразмерные татуировки&...

Ученые обнаружили нанороботов в живой ткани
Ученые обнаружили нанороботов в живой ткани

Самое удивительное, что они там, каж...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
ESA: Первые снимки Евклида показали миллиарды осиротевших звезд
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Heliyon: Ученые нашли виновника тяжелых отравлений благодаря новому методу ПЦР
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам
NatMat: Ученые из университета Райса нашли отличную альтернативу ферроэлектрикам
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Child Development: Отношения с матерью влияют на умение дружить и растить детей
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий
Scientific Reports: Реакция на происходящее влияет на понимание будущих событий
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит
New Media & Society: Геймеры находят оправдание смурфингу, хотя он их и бесит

Новости компаний, релизы

Ученые ТПУ выяснили, что заболевания ЦНС за последние 30 лет вышли на первое место по влиянию на здоровье населения
Физики СПбГУ и Института проблем машиноведения РАН улучшили ударопрочные характеристики нержавеющей стали
КВЗ принимает заявки на целевое обучение в проект «Крылья Ростеха»
В Петербурге снизилось количество разрушающих озоновый слой газов
Ученые ТПУ зарегистрировали первое в России программное обеспечение для планирования нейтронной терапии