Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram uma abordagem geral para combinar diferentes tipos de nanopartículas para produzir materiais compósitos em grande escala. A tecnica, descrito em um artigo publicado online por Nature Nanotechnology em 20 de outubro, 2013, abre muitas oportunidades para misturar e combinar partículas com diferentes magnéticos, óptico, ou propriedades químicas para formar novos, materiais multifuncionais ou materiais com desempenho aprimorado para uma ampla gama de aplicações potenciais.

A abordagem aproveita o emparelhamento atraente de fitas complementares de DNA sintético com base na molécula que carrega o código genético em sua sequência de bases correspondentes conhecidas pelas letras A, T, G, e C. Depois de revestir as nanopartículas com uma "plataforma de construção" quimicamente padronizada e adicionar moléculas extensoras às quais o DNA pode se ligar facilmente, os cientistas anexam fitas de DNA complementares projetadas em laboratório aos dois tipos diferentes de nanopartículas que desejam conectar. O emparelhamento natural dos fios correspondentes, então, "auto-monta" as partículas em uma matriz tridimensional que consiste em bilhões de partículas. Variando o comprimento dos ligantes de DNA, sua densidade superficial nas partículas, e outros fatores dão aos cientistas a capacidade de controlar e otimizar diferentes tipos de materiais recém-formados e suas propriedades.

"Nosso estudo demonstra que os métodos de montagem baseados em DNA permitem a criação de nanocompósitos em grande escala 'superrede' a partir de uma ampla gama de nanocomponentes agora disponíveis, incluindo magnéticos, catalítico, e nanopartículas fluorescentes, "disse o físico de Brookhaven Oleg Gang, que liderou a pesquisa no Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório (CFN). "Este avanço se baseia em nosso trabalho anterior com sistemas mais simples, onde demonstramos que o emparelhamento de nanopartículas com funções diferentes pode afetar o desempenho das partículas individuais, e oferece rotas para a fabricação de novos materiais combinados, melhorada, ou mesmo funções totalmente novas. "

Aplicações futuras podem incluir pontos quânticos cuja fluorescência brilhante pode ser controlada por um campo magnético externo para novos tipos de interruptores ou sensores; nanopartículas de ouro que aumentam sinergicamente o brilho fluorescente dos pontos quânticos; ou nanomateriais catalíticos que absorvem os "venenos" que normalmente degradam seu desempenho, Gang disse.

"Os métodos modernos de nano-síntese fornecem aos cientistas diversos tipos de nanopartículas de uma ampla gama de elementos atômicos, "disse Yugang Zhang, primeiro autor do artigo. "Com a nossa abordagem, os cientistas podem explorar o emparelhamento dessas partículas de forma racional. "

O emparelhamento de partículas diferentes apresenta muitos desafios que os cientistas investigaram no trabalho que conduziu a este artigo. Para compreender os aspectos fundamentais de vários materiais recém-formados, eles usaram uma ampla gama de técnicas, incluindo estudos de espalhamento de raios-x na fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven (NSLS) e espectroscopia e microcopia eletrônica no CFN.

Por exemplo, os cientistas exploraram o efeito da forma das partículas. "Em princípio, partículas de formatos diferentes não querem coexistir em uma rede, "disse Gang." Eles tendem a se separar em fases diferentes, como óleo e água se recusando a se misturar, ou formar estruturas desordenadas. "Os cientistas descobriram que o DNA não apenas ajuda a mistura de partículas, mas também pode melhorar a ordem de tais sistemas quando uma camada de DNA mais espessa ao redor das partículas é usada.

Eles também investigaram como o mecanismo de emparelhamento de DNA e outras forças físicas intrínsecas, como atração magnética entre partículas, pode competir durante o processo de montagem. Por exemplo, as partículas magnéticas tendem a se aglomerar para formar agregados que podem impedir a ligação do DNA de outro tipo de partícula. "Mostramos que fitas de DNA mais curtas são mais eficazes na competição contra a atração magnética, "Gang disse.

Para o composto específico de ouro e nanopartículas magnéticas que eles criaram, os cientistas descobriram que a aplicação de um campo magnético externo poderia "mudar" a fase do material e afetar a ordem das partículas. "Esta foi apenas uma demonstração de que isso pode ser feito, mas poderia ter uma aplicação - talvez interruptores magnéticos, ou materiais que podem mudar de forma sob demanda, "disse Zhang.

O terceiro fator fundamental que os cientistas exploraram foi como as partículas foram ordenadas nas matrizes de superrede:Um tipo de partícula sempre ocupa a mesma posição em relação ao outro tipo - como meninos e meninas sentados em assentos alternados em um cinema - ou eles estão intercalado de forma mais aleatória? "Isso é o que chamamos de ordem composicional, que é importante, por exemplo, para pontos quânticos porque suas propriedades ópticas, por exemplo, sua capacidade de brilhar depende de quantas nanopartículas de ouro existem no ambiente circundante, "disse Gang." Se você tem distúrbio de composição, as propriedades ópticas seriam diferentes. "Nos experimentos, aumentar a espessura das camadas moles de DNA ao redor das partículas aumentava a desordem composicional.

Esses princípios fundamentais fornecem aos cientistas uma estrutura para projetar novos materiais. As condições específicas necessárias para uma determinada aplicação dependerão das partículas que estão sendo usadas, Zhang enfatizou, mas a abordagem da assembleia geral seria a mesma.

Disse a turma, "Podemos variar os comprimentos das fitas de DNA para mudar a distância entre as partículas de cerca de 10 nanômetros para menos de 100 nanômetros - o que é importante para aplicações porque muitas ópticas, magnético, e outras propriedades das nanopartículas dependem do posicionamento nesta escala. Estamos entusiasmados com os caminhos que esta pesquisa abre em termos de direções futuras para novas classes de materiais de engenharia que exploram efeitos coletivos e multifuncionalidade. "