p Levando a brincadeira de criança com blocos de construção a um nível totalmente novo - a escala nanométrica - cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) construíram matrizes de nanopartículas multicomponentes "superrede" 3D, onde o arranjo das partículas é impulsionado pela forma do minúsculos blocos de construção. O método usa moléculas ligantes feitas de fitas complementares de DNA para superar a tendência dos blocos de se agruparem de uma maneira que separaria componentes de formatos diferentes. Os resultados, publicado em Nature Communications , são um passo importante no caminho para o projeto de materiais compostos previsíveis para aplicações em catálise, outras tecnologias de energia, e remédios. p “Se quisermos aproveitar as propriedades promissoras das nanopartículas, precisamos ser capazes de incorporá-los de forma confiável em materiais compostos de grande escala para aplicações do mundo real, "explicou o físico de Brookhaven Oleg Gang, que liderou a pesquisa no Centro de Nanomateriais Funcionais de Brookhaven (CFN), um DOE Office of Science User Facility.

p "Nosso trabalho descreve uma nova maneira de fabricar materiais compostos estruturados usando ligações direcionais de partículas moldadas para montagem previsível, "disse Fang Lu, o principal autor da publicação.

p A pesquisa se baseia na experiência da equipe em ligar nanopartículas usando fitas de DNA sintético. Como a molécula que carrega o código genético dos seres vivos, essas fitas sintéticas têm bases complementares conhecidas pelas letras do código genético G, C, T, e A, que se ligam entre si de apenas uma maneira (G para C; T para A). Gang já havia usado cadeias de DNA complementares anexadas a nanopartículas para orientar a montagem de uma variedade de matrizes e estruturas. O novo trabalho explora a forma de partícula como um meio de controlar a direcionalidade dessas interações para obter uma ordem de longo alcance em montagens e clusters em grande escala.

p Partículas esféricas, Gang explicou, normalmente embalar juntos para minimizar o volume livre. Ligantes de DNA - usando fitas complementares para atrair partículas, ou filamentos não complementares para manter as partículas separadas - podem alterar esse empacotamento em algum grau para obter arranjos diferentes. Por exemplo, os cientistas fizeram experiências com a colocação de fios de ligação complementares em locais estratégicos nas esferas para que as partículas se alinhassem e se ligassem de uma maneira particular. Mas não é tão fácil fazer nanoesferas com fios de ligação colocados com precisão.

p "Exploramos uma ideia alternativa:a introdução de 'blocos' em nanoescala decorados com amarras de DNA em cada faceta para controlar a ligação direcional de esferas com amarras de DNA complementares, "Gang disse.

p Quando os cientistas misturaram nanocubos revestidos com amarras de DNA em todos os seis lados com nanoesferas de aproximadamente o mesmo tamanho, que foi revestido com amarras complementares, essas duas partículas de formatos diferentes não segregaram como seria de se esperar com base em seu comportamento de empacotamento normal. Em vez de, a "cola" de DNA evitou a separação, fornecendo uma força atrativa entre as facetas planas dos blocos e as amarras nas esferas, bem como uma força repulsiva entre as amarras não emparelhadas em objetos com a mesma forma.

p “O DNA nos permite impor regras:esferas atraem cubos (mutuamente); esferas não atraem esferas; e cubos não atraem cubos, "Gang disse." Isso quebra a tendência convencional de empacotamento e permite que o sistema se auto-monte em uma matriz alternada de cubos e esferas, onde cada cubo é cercado por seis esferas (uma para uma face) e cada esfera é cercada por seis cubos. "O uso de blocos octaédricos em vez de cubos conseguiu um arranjo diferente, com uma esfera ligada a cada uma das oito facetas triangulares dos blocos.

p O método exigia algum processamento térmico para atingir o pedido de longo alcance mais uniforme. E experimentos com diferentes tipos de amarras de DNA mostraram que ter fitas de DNA flexíveis era essencial para acomodar o emparelhamento de partículas de formatos diferentes.

p "As conchas de DNA flexíveis 'suavizam' as partículas, o que permite que eles se encaixem em arranjos onde as formas não correspondem geometricamente, " Lu said. But excessive softness results in unnecessary particle freedom, which can ruin a perfect lattice, ela adicionou. Finding the ideal flexibility for the tethers was an essential part of the work.

p The scientists used transmission and scanning electron microscopy at the CFN and also conducted x-ray scattering experiments at the National Synchrotron Light Source, another DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab, to reveal the structure and take images of assembled clusters and lattices at various length scales. They also explained the experimental results with models based on the estimation of nanoscale interactions between the tiny building blocks.

p "Em última análise, this work shows that large-scale binary lattices can be formed in a predictable manner using this approach, " Gang said. "Given that our approach does not depend on the particular particle's material and the large variety of particle shapes available-many more than in a child's building block play set-we have the potential to create many diverse types of new nanomaterials."