Используя крошечные полые частицы, называемые металлическими нанорамками, и модифицируя их соответствующими последовательностями ДНК, команда обнаружила, что они могут синтезировать сверхрешетки с открытыми каналами с порами размером от 10 до 1000 нанометров - размерами, которые до сих пор были труднодоступны. Этот новообретенный контроль над пористостью позволит исследователям использовать эти коллоидные кристаллы для молекулярной абсорбции и хранения, разделения, химического зондирования, катализа и многих оптических применений.

Новое исследование идентифицирует 12 уникальных сверхрешеток из пористых наночастиц с контролем над симметрией, геометрией и связностью пор, чтобы подчеркнуть обобщаемость новых правил проектирования как пути к созданию новых материалов.

Статья была опубликована сегодня (26 октября) в журнале Природа.

Чад А. Миркин, профессор химии имени Джорджа Б. Ратманна в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга и директор Международного института нанотехнологий, сказал, что новые результаты окажут широкомасштабное влияние на нанотехнологии и за их пределами.

"Нам пришлось переосмыслить то, что мы знали о связывании ДНК с коллоидными частицами", - сказал Миркин, руководивший исследованием. "С этими новыми типами полых нанокристаллов существующие правила разработки кристаллов оказались неадекватными. Сборка наночастиц, управляемая "склеиванием краев", позволяет нам получить доступ к широкому спектру кристаллических структур, к которым мы не можем получить доступ с помощью обычного "склеивания граней", традиционного способа формирования структуры в этой области. Эти новые структуры открывают новые возможности как с научной, так и с технологической точек зрения".

Лидер в области нанохимии, Миркин также является профессором химической и биологической инженерии, биомедицинской инженерии и материаловедения в инженерной школе Маккормика и профессором медицины в медицинской школе Фейнберга Северо-Западного университета.

Команда Миркина уже более двух десятилетий использует программируемость ДНК для синтеза кристаллов с необычными и полезными свойствами; расширение концепции за счет включения полых частиц является большим шагом к более универсальному подходу к пониманию и контролю образования коллоидных кристаллов.

Природа использует коллоидные кристаллы для управления окраской организмов, включая крылья бабочки и изменчивый цвет кожи хамелеона. Созданные Миркиным в лаборатории структуры - особенно пористые, через которые могут проходить молекулы, материалы и даже свет, - поставят перед учеными и инженерами задачу создавать из них новые устройства.

Винаяк Дравид, профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса в Маккормике и автор статьи, добавил, что многие промышленные химические процессы основаны на цеолитах, другом классе синтетических пористых материалов.

"У цеолитов есть много ограничений, потому что они производятся по физическим правилам, которые ограничивают возможности", - сказал Дравид. "Но когда ДНК используется в качестве связующего звена, это обеспечивает большее разнообразие структур и гораздо большее разнообразие размеров пор, а следовательно, и широкий спектр свойств".

Возможность контролировать размер пор и соединения между порами открывает целый ряд потенциальных применений. Например, авторы показывают, что пористые сверхрешетки проявляют интересное оптическое поведение, называемое отрицательным показателем преломления, которое не встречается в природе и доступно только с использованием инженерных материалов.

"В этой работе мы обнаружили, как сверхрешетки с открытым каналом могут быть новыми типами оптических метаматериалов, которые допускают отрицательный показатель преломления", - сказал Корай Айдын, также автор статьи и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Маккормике. "Такие метаматериалы позволяют применять захватывающие приложения, такие как маскировка и суперлинзирование, для получения изображений сверхмалых объектов с помощью микроскопии".

Исследователи продолжают сотрудничать, чтобы продвинуть работу вперед.

"Нам нужно применить эти новые правила проектирования к нанопористым металлическим структурам, изготовленным из других металлов, таких как алюминий, и нам нужно масштабировать процесс", - сказал Миркин. "Эти практические соображения очень важны в контексте высокопроизводительных оптических устройств. Такой шаг вперед мог бы стать поистине преобразующим".