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: Телеграм | Дзен | Вконтакте


Нано

Отвары с наноприставкой: что известно о новом классе лекарств
Отвары с наноприставкой: что известно о новом классе лекарств

Когда древние рецепты встречаются с нанот

Вирусы встрепенулись: их шипы теперь можно ловить сетью
Вирусы встрепенулись: их шипы теперь можно ловить сетью

Что общего у спагетти и вирусов? Отв...

Ученые используют гусениц для синтеза наноуглеродов
Ученые используют гусениц для синтеза наноуглеродов

Ферменты гусениц сделали то, что не 

Глина против CO₂: старый материал проявит себя на новом фронте
Глина против CO₂: старый материал проявит себя на новом фронте

Глина, которую человечество использует тысячи ...

Ученые растворили нерастворимые полимеры
Ученые растворили нерастворимые полимеры

Химики впервые заставили упрямые полимеры свет

Новое покрытие из белка блох защитит импланты от бактерий
Новое покрытие из белка блох защитит импланты от бактерий

Что общего у блох и медицинских импл...

Новый спрей защищает растения от бактерий без химикатов
Новый спрей защищает растения от бактерий без химикатов

Фермеры десятилетиями заливали поля химией, но...

Ученые придумали, как проверять безопасность нанолекарств
Ученые придумали, как проверять безопасность нанолекарств

Наномедицина обещает прорыв в лечении рак...

Разделяй и властвуй: частицы Януса дробят CO₂ на полезные молекулы
Разделяй и властвуй: частицы Януса дробят CO₂ на полезные молекулы

Углекислый газ, который считают главным врагом...

Ученые заменили проблемный компонент вакцин
Ученые заменили проблемный компонент вакцин

Исследователи нашли способ сделать mRNA-...

Атомный пазл: что получилось, когда графен поженили со стеклом
Атомный пазл: что получилось, когда графен поженили со стеклом

Ученые впервые соединили графен и стекло ...

Ученые объяснили, как металлические кластеры двигаются в цеолитах
Ученые объяснили, как металлические кластеры двигаются в цеолитах

Исследователи раскрыли механизм, который позво...

Свет на поводке: как форма материала заменяет мощные лазеры
Свет на поводке: как форма материала заменяет мощные лазеры

Ученые нашли способ управлять светом с по...

Ученые разобрались, как ДНК встраивается в клеточные мембраны
Ученые разобрались, как ДНК встраивается в клеточные мембраны

Ученые разобрались, как ДНК-наноконструкц...

Ученые открыли новый двумерный материал
Ученые открыли новый двумерный материал

Десять лет назад исследователи пред...

PNAS: Наноалмазы помогут диагностировать рак
PNAS: Наноалмазы помогут диагностировать рак

Ученые превратили алмазные наночастицы в ...

Энергия плюс экология: новый нанокомпозит тянет на два фронта
Энергия плюс экология: новый нанокомпозит тянет на два фронта

Ученые из Университета Синсю разработали ...

Ученые создали виртуальные машины для сортировки наноматериалов
Ученые создали виртуальные машины для сортировки наноматериалов

Японские ученые из Университета Нагои при...

Поиск на сайте

ТОП - Новости мира, инновации

Ученые выяснили, почему ночные линзы помогают не всем
Ученые выяснили, почему ночные линзы помогают не всем
Открыт новый метод выявления аллергии у детей
Открыт новый метод выявления аллергии у детей
Ультразвуковая щетка заменит болезненное зондирование десен
Ультразвуковая щетка заменит болезненное зондирование десен
Ферментированные бобы снижают риск диабета
Ферментированные бобы снижают риск диабета
Ученые выяснили, почему некоторые части клетки растут быстрее
Ученые выяснили, почему некоторые части клетки растут быстрее
Домашние тесты увеличили скрининг рака шейки матки в 2 раза
Домашние тесты увеличили скрининг рака шейки матки в 2 раза
Без билетов, нервов и пробок: что мешает MaaS стать новой нормой
Без билетов, нервов и пробок: что мешает MaaS стать новой нормой
Ученые выяснили, почему шелкопряду проще захватывать северные леса
Ученые выяснили, почему шелкопряду проще захватывать северные леса
Провокация симптомов перед магнитной стимуляцией может усилить лечение
Провокация симптомов перед магнитной стимуляцией может усилить лечение
Разобрать на части: как клетка управляет белковым конвейером
Разобрать на части: как клетка управляет белковым конвейером

Новости компаний, релизы

Сталь крепчает: российские ученые нашли дешевый способ ее усилить
Горы, наука и ЮНЕСКО: чем запомнилась поездка делегации Башкортостана в Малайзию
Четаевская конференция-2025: механика, роботы и новые решения
От Уфы до Харбина: как студентка прокачала науку и китайский
От парты к станку: как в Казани учат будущих авиастроителей