Uma equipe de pesquisadores do Grupo Mirkin do Instituto Internacional de Nanotecnologia da Northwestern University, em colaboração com a Universidade de Michigan e o Centro de Pesquisa Cooperativa em Biomateriais - CIC biomaGUNE, revela uma nova metodologia para projetar quasicristais coloidais usando blocos de construção modificados por DNA. O estudo foi publicado na revista Nature Materials sob o título "Quasicristais coloidais projetados com DNA".



Caracterizados por padrões ordenados, mas não repetitivos, os quasicristais há muito deixam os cientistas perplexos. “A existência de quasicristais tem sido um enigma durante décadas e a sua descoberta foi apropriadamente galardoada com um Prémio Nobel”, disse Chad Mirkin, principal investigador do estudo.

"Embora existam agora vários exemplos conhecidos, descobertos na natureza ou através de rotas fortuitas, a nossa investigação desmistifica a sua formação e, mais importante, mostra como podemos aproveitar a natureza programável do ADN para projetar e montar deliberadamente quasicristais."

O ponto focal do estudo foi a montagem de nanopartículas decaédricas (NPs) – partículas com 10 lados – utilizando o DNA como estrutura orientadora. Através de uma combinação de simulações de computador e experimentos meticulosos, a equipe descobriu uma descoberta notável:esses NPs decaédricos podem ser orquestrados para formar estruturas quasicristalinas com motivos intrigantes de cinco e seis coordenadas, culminando na criação de um quasicristal dodecagonal (DDQC).

"As nanopartículas decaédricas possuem uma simetria quíntupla distinta que desafia as normas convencionais de ladrilhos periódicos", disse Mirkin. "Ao aproveitar as capacidades programáveis ​​do DNA, fomos capazes de direcionar a montagem dessas nanopartículas em uma estrutura quasicristalina robusta."

Os pesquisadores funcionalizaram nanopartículas de ouro decaédricas com DNA de fita dupla curta e implementaram um processo de resfriamento controlado com precisão para facilitar a montagem. As superredes quasicristalinas resultantes exibiram ordem quase periódica de médio alcance, com análises estruturais rigorosas confirmando a presença de simetria de doze vezes e um padrão distinto de ladrilhos triangulares-quadrados, características marcantes de um DDQC.

"Curiosamente, as simulações descobriram que, ao contrário da maioria dos quasicristais axiais, o padrão de ladrilhos das camadas no quasicristal decaedro não se repete de forma idêntica de uma camada para a seguinte. Em vez disso, uma percentagem significativa dos ladrilhos é diferente, de forma aleatória. Esta aleatoriedade produz uma desordem que ajuda a estabilizar o cristal”, disse Sharon Glotzer, coautora correspondente do estudo e presidente do departamento de engenharia química da Universidade de Michigan.

As implicações deste avanço são de longo alcance, oferecendo um modelo potencial para a síntese controlada de outras estruturas complexas anteriormente consideradas fora do alcance. À medida que a comunidade científica se aprofunda nas perspectivas ilimitadas da matéria programável, esta investigação abre caminho para avanços transformadores e aplicações em diversos domínios científicos.

"Através da engenharia bem-sucedida de quasicristais coloidais, alcançamos um marco significativo no domínio da nanociência. Nosso trabalho não apenas lança luz sobre o projeto e a criação de estruturas complexas em nanoescala, mas também abre um mundo de possibilidades para materiais avançados e aplicações inovadoras de nanotecnologia. ”, disse Luis Liz-Marzán, coautor sênior do estudo do CIC biomaGUNE.

Mais informações: Quasicristais coloidais projetados com DNA, Materiais naturais (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01706-x
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