Из наночастиц, управляемых ДНК, создали материал, меняющий структуру и цвет

Художественное изображение "сверхрешётки" из ДНК-модифицированных наночастиц, которая может изменять оптические свойства материала.

Иллюстрация Northwestern University.

Исследователи из Северо-Западного университета (США) разработали первую в своём роде технологию создания совершенно новых классов оптических метаматериалов. Последние могут изменять строение и цвет по желанию создателя. Но, что самое удивительное, ключевым инструментов в этой работе стали нити ДНК.

Команда использовала наночастицы золота. Из них при помощи нитей ДНК, которые могут сжиматься и растягиваться "по требованию", создали двух- и трёхмерные решётки. Получившиеся конструкции были названы "сверхрешётками" (superlattices).

Им можно придавать различные конфигурации и программировать на поглощение практически любого света из видимого спектра, отмечают авторы.

"В разработке новых материалов архитектура – это всё, и теперь у нас есть новый способ точно управлять архитектурой частиц на больших площадях. Химики и физики смогут построить почти бесконечное количество новых структур с любыми видами интересных свойств. Эти структуры не могут быть созданы при помощи какой-либо известной техники", — рассказывает профессор Чед Миркин (Chad Mirkin).

Изначально учёные использовали численное моделирование и методы оптической спектроскопии, чтобы определить, какие сверхрешётки из наночастиц будут поглощать конкретные длины волн видимого света.

Затем для создания этих сверхрешёток исследователи сочетали классические методы с инновационными. Они использовали так называемую литографию "сверху-вниз" (top-down lithography), которая часто применяется для создания компьютерных микросхем, вкупе с новой технологией программируемой самосборки, происходящей под управлением ДНК.

Американские специалисты подчёркивают, что эти методы объединили впервые, и это позволило точно контролировать положение частиц в трёх измерениях.

Так, исследователи использовали литографические методы для бурения крошечных отверстий (размером с одну наночастицу) в резисте – это полимерный светочувствительный материал. Он стал "посадочной площадкой" для наночастиц из золота, модифицированных молекулами ДНК. По словам Миркина, без таких "посадочных площадок" не обойтись, поскольку они поддерживают структуры, которые выращиваются по вертикали.

На первом этапе золотая наночастица, изменённая при помощи молекулы ДНК, садится на резист в нужном месте, потому что на нём располагаются комплементарные (подходящие) молекулы ДНК. Затем поверх первого слоя наночастиц можно посадить второй и третий слои таких же изменённых при помощи молекул ДНК наночастиц (комплементарных каждому предыдущему слою).

Таким образом учёные смогли с высокой точностью "рассадить" наночастицы по большой поверхности. Кроме того, наночастицы могут быть разных размеров и форм (сфера, куб, диск и так далее).

"Этот подход может быть использован для создания периодических решёток из оптически активных частиц золота, серебра и любого другого материала, который может быть модифицирован при помощи ДНК, с необычайной наноразмерной точностью", — поясняет Миркин.

Материалы из таких структур чувствительны к внешним стимулам: нити ДНК, которые удерживают их вместе, изменяются свою длину в новой среде, например, в растворах этанола разных концентраций.

Именно изменение длины ДНК приводит к тому, что материал меняет цвет – от чёрного к красному или зелёному. Оптические свойства метаматериалов при помощи нового метода можно менять в очень широком диапазоне.

"Настройка оптических свойств метаматериалов является серьёзной проблемой, и в нашем исследовании достигается один из самых широких диапазонов перестройки ", — отмечает соавтор работы Корай Айдын (Koray Aydin).

По мнению авторов, изделия с таким "механизмом превращения" могут использоваться для медицинского и экологического мониторинга, а ещё технология пригодится для создания маскировочных материалов.

Научная статья с более подробным описанием необычной технологии опубликована в издании Science.

Кстати, ранее мы рассказывали о том, как генетический алгоритм помог создать уникальный метаматериал.