X射线帮助科学家利用设计师DNA发现新形式的材料

由西北大学和密歇根大学领导的一个研究小组开发了一种将颗粒组装成胶体晶体的新方法，胶体晶体是一种用于化学和生物传感和光检测设备的有价值的材料。使用这种方法，该团队首次展示了如何以自然界中没有的方式设计这些晶体。

该团队使用能源部(DOE)科学办公室位于能源部阿贡国家实验室的先进光子源(APS)来确认他们的关键发现。

“强大的X射线束可以进行研究此类装配所需的高分辨率测量。APS是进行这项研究的理想设施，”阿贡国家实验室的ByeongduLee说道。

“我们发现了制造新材料系统的基本原理，”西北大学温伯格文理学院的GeorgeB.Rathmann化学教授ChadA.Mirkin说。“这种打破对称性的策略改写了材料设计和合成的规则。”

该研究由密歇根大学化学工程系主任AnthonyC.Lembke的Mirkin和SharonC.Glotzer指导，并发表在NatureMaterials杂志上。

胶体晶体是非常小的颗粒，其他更小的颗粒(称为纳米颗粒)以有序或对称的方式排列在它们内部。它们可以设计用于从光传感器和激光器到通信和计算的应用。在这项研究中，科学家们试图打破自然界的自然对称性，这种对称性往往会以最对称的方式排列微小的粒子。

“想象一下，你正在把篮球堆在一个盒子里，”阿贡大学的ByeongduLee说，他是APS的组长，也是该论文的作者。“你会有一种特定的方法，可以从空间中获得最大价值。这就是大自然的做法。”

然而，Lee说，如果这些球有一定程度的瘪了，你可以将它们堆叠成不同的模式。他说，研究小组正在尝试对纳米材料做同样的事情，教它们自组装成新的图案。

在这项研究中，科学家们使用了DNA，这是细胞内携带遗传信息的分子。科学家们已经对DNA有了足够的了解，能够对其进行编程以遵循特定的指令。该研究小组使用DNA来教金属纳米粒子组装成新的配置。研究人员将DNA分子附着在不同大小的纳米粒子表面，发现较小的粒子在它们之间的间隙中围绕较大的粒子移动，同时仍将这些粒子结合在一起形成一种新材料。

“使用大大小小的纳米粒子，其中较小的纳米粒子像金属原子晶体中的电子一样四处移动，是构建复杂胶体晶体结构的全新方法，”格洛泽说。

通过调整这种DNA，科学家们改变了小电子当量粒子的参数，从而改变了产生的晶体。

“我们探索了更复杂的结构，在这些结构中，控制每个粒子周围的邻居数量会产生进一步的对称性破坏，”格洛泽说。“我们的计算机模拟有助于破译复杂的模式并揭示使纳米粒子能够创造它们的机制。”

这种方法为三个新的、从未合成的结晶相奠定了基础，其中一个没有已知的天然等效物。

“胶体粒子集合体在自然原子系统中总是有一些类比，”李说。“这次我们发现的结构是全新的。它的组装方式，我们还没有看到金属、金属合金或其他材料自然地以这种方式组装起来。”

“我们还不知道这种材料的物理特性，”李说。“现在我们把它交给材料科学家来创造和研究这种材料。”

该团队使用APS的超亮X射线束来确认其晶体的新结构。他们在光束线5-ID和12-ID上使用高分辨率小角度X射线散射仪器来创建他们创建的粒子排列的精确图片。

“强大的X射线束可以实现研究此类组件所需的高分辨率测量，”Lee说。“APS是进行这项研究的理想设施。”

APS目前正在进行大规模升级，Lee指出，这将使科学家们能够在未来确定更复杂的结构。12-ID的仪器也在升级，以充分利用可用的更亮的X射线束。

这些低对称性胶体晶体具有其他晶体结构无法实现的光学特性，可能会在广泛的技术中得到应用。它们的催化性能也不同。但是，既然已经了解了破坏对称性的条件，那么这里公布的新结构只是可能性的开始。

“我们正处于一个前所未有的材料合成和发现时代，”米尔金说。“这是将新的、未开发的材料从速写本中引入到可以利用其稀有和不寻常特性的应用中的又一步。”