p Usando cadeias de DNA agrupadas para construir gaiolas tetraédricas semelhantes a Tinkertoy, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, desenvolveram uma maneira de capturar e organizar nanopartículas de uma forma que imita a estrutura cristalina do diamante. A conquista deste arranjo complexo, mas elegante, conforme descrito em um artigo publicado em 5 de fevereiro, 2016, no Ciência , pode abrir um caminho para novos materiais que aproveitem as propriedades ópticas e mecânicas desta estrutura cristalina para aplicações como transistores ópticos, materiais que mudam de cor, e materiais leves, porém resistentes. p "Resolvemos um desafio de 25 anos na construção de treliças de diamante de forma racional por meio de automontagem, "disse Oleg Gang, um físico que liderou esta pesquisa no Center for Functional Nanomaterials (CFN) no Brookhaven Lab em colaboração com cientistas da Stony Brook University, Wesleyan University, e a Universidade de Nagoya no Japão.

p Os cientistas empregaram uma técnica desenvolvida por Gang que usa DNA fabricado como material de construção para organizar nanopartículas em arranjos espaciais 3D. Eles usaram feixes semelhantes a cordas de DNA de dupla hélice para criar rigidez, quadros tridimensionais, e adicionou pedaços pendentes de DNA de fita simples para ligar partículas revestidas com fitas de DNA complementares.

p "Estamos usando construções de DNA de forma precisa feitas como um arcabouço e amarras de DNA de fita simples como uma cola programável que combina as partículas de acordo com o mecanismo de emparelhamento do código genético - A se liga a T, G se liga a C, "disse Wenyan Liu do CFN, o autor principal do artigo. "Essas construções moleculares são blocos de construção para a criação de redes cristalinas feitas de nanopartículas."

p A dificuldade do diamante

p Como Liu explicou, "Construir superredes de diamante a partir de partículas em escala nanométrica e micro por meio de automontagem tem se mostrado extremamente difícil. Isso desafia nossa capacidade de manipular matéria em escalas pequenas."

p As razões para esta dificuldade incluem características estruturais, como uma fração de empacotamento baixo - o que significa que em uma rede de diamante, em contraste com muitas outras estruturas cristalinas, as partículas ocupam apenas uma pequena parte do volume da rede - e uma forte sensibilidade à maneira como as ligações entre as partículas são orientadas. "Tudo deve se encaixar de tal forma, sem qualquer mudança ou rotação das posições das partículas, "Gang disse." Como a estrutura do diamante é muito aberta, muitas coisas podem dar errado, levando à desordem. "

p "Até mesmo construir essas estruturas uma a uma seria um desafio, "Liu acrescentou, "e precisávamos fazer isso por automontagem porque não há como manipular bilhões de nanopartículas uma a uma."

p O sucesso anterior de Gang usando DNA para construir uma ampla gama de arranjos de nanopartículas sugere que uma abordagem baseada em DNA pode funcionar neste caso.

p Montagem de guias de DNA

p A equipe usou primeiro os feixes de DNA semelhantes a cordas para construir "gaiolas" tetraédricas - um objeto 3D com quatro faces triangulares. Eles adicionaram amarras de DNA de fita simples apontando para o interior das gaiolas usando T, G, C, Uma sequência que combinava com amarras complementares anexadas a nanopartículas de ouro. Quando misturado na solução, as amarras complementares emparelhadas para "prender" uma nanopartícula de ouro dentro de cada gaiola de tetraedro.

p O arranjo das nanopartículas de ouro fora das gaiolas foi guiado por um conjunto diferente de correntes de DNA presas aos vértices dos tetraedros. Cada conjunto de vértices é ligado com amarras de DNA complementares anexadas a um segundo conjunto de nanopartículas de ouro.

p Quando misturado e recozido, as matrizes tetraédricas formaram superredes com ordem de longo alcance, onde as posições das nanopartículas de ouro imitam o arranjo dos átomos de carbono em uma rede de diamante, mas em uma escala cerca de 100 vezes maior.

p "Embora este cenário de montagem possa parecer irremediavelmente irrestrito, demonstramos experimentalmente que nossa abordagem leva à rede de diamante desejada, simplificar drasticamente a montagem de uma estrutura tão complexa, "Gang disse.

p A prova está nas imagens. Os cientistas usaram microscopia eletrônica de transmissão criogênica (cryo-TEM) para verificar a formação de quadros tetraédricos, reconstruindo sua forma 3D a partir de várias imagens. Em seguida, eles usaram o espalhamento de raios-x de pequeno ângulo (SAXS) in-situ na National Synchrotron Light Source (NSLS), e microscopia eletrônica de transmissão de crio varredura (crio-STEM) no CFN, para criar imagens das matrizes de nanopartículas na estrutura totalmente construída.

p "Nossa abordagem se baseia na auto-organização dos vértices rombos de forma triangular dos tetraedros (as chamadas 'pegadas') em partículas esféricas isotrópicas. Essas pegadas triangulares ligam-se a partículas esféricas revestidas com DNA complementar, o que permite que as partículas coordenem seu arranjo no espaço em relação umas às outras. Contudo, as pegadas podem se organizar em uma variedade de padrões em uma esfera. Acontece que um determinado canal é mais favorável, e corresponde à colocação 3D única de partículas que bloqueia a estrutura do diamante, "Gang disse.

p A equipe apoiou a interpretação dos resultados experimentais usando modelagem teórica que forneceu uma visão sobre os principais fatores que impulsionam a formação bem-sucedida de redes de diamante.

p Implicações brilhantes

p “Este trabalho traz para a nanoescala a complexidade cristalográfica observada em sistemas atômicos, "disse Gang, que observou que o método pode ser facilmente expandido para organizar partículas de diferentes composições de materiais. O grupo demonstrou anteriormente que os métodos de montagem de DNA podem ser aplicados à óptica, magnético, e nanopartículas catalíticas também, e provavelmente renderá os novos materiais ópticos e mecânicos há muito procurados pelos cientistas.

p "Demonstramos um novo paradigma para a criação de estruturas ordenadas em 3D complexas por meio de automontagem. Se você puder construir esta rede desafiadora, o pensamento é que você pode construir potencialmente uma variedade de redes desejadas, " ele disse.