Παράξενοι μεταλλικοί δεσμοί που ανακαλύφθηκαν σε προσαρμοσμένους κρυστάλλους

Ο Τσαντ Μίρκιν δεν ξεκίνησε να ανακαλύψει μια νέα ιδιοκτησία στο θέμα. Αλλά όταν επινοείτε μια εναλλακτική λύση στη χημεία που βασίζεται στα άτομα, κάτι περίεργο είναι βέβαιο ότι θα συμβεί.

Για χρόνια, αυτός και οι συνάδελφοί του είχαν εξερευνήσει κάτι που ονόμαζε «προγραμματιζόμενα ισοδύναμα ατόμων» - μικροσκοπικά νανοσωματίδια, καλυμμένα με κλώνους DNA, που μιμούνται τη δεσμευτική συμπεριφορά των ατόμων. Αλλά σε αντίθεση με τα άτομα, τα οποία περιορίζονται σε αυτό που βρίσκετε στον περιοδικό πίνακα, τα νανοσωματίδια και οι δεσμοί DNA μπορούν να σχεδιαστούν με σχεδόν άπειρους τρόπους.

Ο Mirkin, ένας χημικός στο Πανεπιστήμιο Northwestern, εργαζόταν με τη Monica Olvera de la Cruz, μια φυσική στο Northwestern, για να διερευνήσει πώς αυτά τα νανοσωματίδια συναρμολογούνται σε κανονικά μοτίβα. Τέτοιοι «κολλοειδείς» κρύσταλλοι μπορούν να βρεθούν στη φύση - τα οπάλια σχηματίζονται από σφιχτά συσκευασμένα κομμάτια πυριτίου - αλλά οι ερευνητές είχαν κατασκευάσει εκατοντάδες άλλους στο εργαστήριο με την ελπίδα να αναπτύξουν κολλοειδείς κρυστάλλους με νέες και χρήσιμες ιδιότητες.

Αλλά ένα περίεργο πράγμα συνέβη όταν οι ομάδες ανακάτεψαν τα πιο μικροσκοπικά σωματίδια τους με μεγαλύτερα για να φτιάξουν κολλοειδείς κρυστάλλους. Τα μεγαλύτερα σωματίδια τακτοποιήθηκαν σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα όπως αναμενόταν, αλλά τα μικρότερα περιφέρονταν ελεύθερα σε όλη τη δομή. Και όμως, η παρουσία αυτών των μικροσκοπικών, περιπλανώμενων σωματιδίων φαινόταν να είναι καθοριστική για τη διατήρηση των μεγαλύτερων σωματιδίων στη θέση τους, ανέφεραν οι ομάδες στο Science .

«Έχετε αυτές τις κινητές οντότητες, αυτά τα κινητά νανοσωματίδια, που χρησιμεύουν ως συνδετικοί παράγοντες», είπε ο David Pine, ένας φυσικός του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Είναι μια νέα ιδιότητα του υλικού."

Οι ομάδες έκαναν παραλληλισμούς μεταξύ της συμπεριφοράς αυτών των νανοσωματιδίων και εκείνης των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο. Σε ένα μέταλλο, τα άτομα σχηματίζουν μια σταθερή δομή, αλλά τα ηλεκτρόνια υφαίνουν παντού, αδέσμευτα σε οποιοδήποτε άτομο.

«Από θεωρητική άποψη, είναι πολύ συναρπαστικό», είπε η Olvera de la Cruz. "Ποιες είναι οι φυσικές ιδιότητες που θα έχει αυτή η ύλη όταν οργανωθεί από αυτόν τον νέο δεσμό;"

A Surprise Metal

Ο Mirkin πρότεινε για πρώτη φορά τη χρήση DNA για να υπαγορεύσει πώς συνδέονται τα νανοσωματίδια μεταξύ τους το 1996. Η ιδέα του ήταν να πάρει κάθε μεμονωμένο νανοσωματίδιο και να το επικαλύψει με κλώνους DNA, κάνοντάς το να μοιάζει με μια κολλώδη σκληρή καραμέλα που βρίσκεται κάτω από τον καναπέ επικαλυμμένο με ένα κουβάρι γάτας μαλλιά.

Οι ερευνητές θα μπορούσαν να κατασκευάσουν αυτούς τους κλώνους του DNA για να ελέγξουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των σωματιδίων. Για παράδειγμα, ένα σωματίδιο με κλώνους DNA που καταλήγουν στην αλληλουχία AAGGAA θα μπορούσε να συνδεθεί με σωματίδια με κλώνους που καταλήγουν σε TTCCTT, αλλά όχι με άλλα σωματίδια AAGGAA.

«Θα μπορούσατε να συνθέσετε κλώνους DNA και να τις συνδέσετε σε σωματίδια και να δημιουργήσετε ένα χημικά ειδικό Velcro σχεδιασμένο να αναγνωρίζει άλλες μπάλες Velcro», είπε ο Mirkin.

Στα πρόσφατα πειράματά της, η ομάδα προσπαθούσε να αποκτήσει καλύτερο έλεγχο στο μέγεθος των νανοσωματιδίων και τις θέσεις των κλώνων του DNA. Με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσαν να κατασκευάσουν καλύτερα υλικά με νέες φυσικές ιδιότητες.

Για το σκοπό αυτό, η ομάδα εργάστηκε για να δημιουργήσει ιδιαίτερα μικροσκοπικά νανοσωματίδια. Ένα τυπικό νανοσωματίδιο μπορεί να έχει πλάτος 10 νανόμετρα, κατασκευασμένο από εκατοντάδες χιλιάδες άτομα χρυσού, με περίπου 150 κλώνους «συνδέτη» DNA να κρέμονται από την επιφάνειά του. Με τόσο μεγάλους αριθμούς, είναι δύσκολο να ελέγξετε ακριβώς από πόσα άτομα χρυσού αποτελούνται τα σωματίδια σας και πού συνδέονται οι κλώνοι του DNA.

Έτσι, οι ερευνητές στράφηκαν σε μικρότερα σωματίδια, τα οποία θα ήταν πιο συνεπή. Η ομάδα δημιούργησε νανοσωματίδια πλάτους 5, 2 και 1,4 νανόμετρα. Τα μικρότερα αποτελούνταν από μερικές εκατοντάδες άτομα χρυσού και είχαν μόνο μια χούφτα κλώνους DNA που κρέμονταν από αυτά.

Όταν οι ερευνητές συνδύασαν σωματίδια 10 νανομέτρων με συμπληρωματικά σωματίδια 5 ή 2 νανομέτρων, τα σωματίδια τακτοποιήθηκαν στην αναμενόμενη δομή του πλέγματος, όπως τα άτομα σε έναν κρύσταλλο. Ωστόσο, όταν οι ερευνητές συνδύασαν τα σωματίδια των 10 νανομέτρων με τα συμπληρωματικά σωματίδια των 1,4 νανομέτρων, τα δύο είδη σωματιδίων δεν σχημάτισαν ένα κανονικό πλέγμα. Αντίθετα, τα μεγαλύτερα σωματίδια κάθονταν σε πλέγμα, ενώ τα μικρότερα όχι.

Αυτά τα μικρότερα σωματίδια κινήθηκαν σε όλο τον κρύσταλλο, σχηματίζοντας μόνο χαλαρές συνδέσεις με το ένα συμπληρωματικό σωματίδιο μετά το άλλο. Αλλά επειδή τα σωματίδια των 10 νανομέτρων ήταν όλα του ίδιου τύπου και δεν μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους, αυτός ο παροδικός δεσμός με τα μικρότερα σωματίδια πρέπει να έχει λειτουργήσει για να κρατήσει τα μεγαλύτερα νανοσωματίδια στη θέση τους.

Η ερευνητική ομάδα συγκρίνει αυτή τη νέα συμπεριφορά με τους μεταλλικούς δεσμούς, στον οποίο τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο περιπλανώνται ανάμεσα στα ακίνητα μεταλλικά ιόντα, που δεν είναι συνδεδεμένα με κανένα ιόν, αλλά συγκρατούν ολόκληρη τη δομή μαζί.

«Ανακαλύψαμε αυτό το φαινόμενο και είπαμε:«Ουάου, αυτό είναι πραγματικά παράξενο. Αυτό είναι ασυνήθιστο. Ας το ακολουθήσουμε.» Και αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η επιστήμη», είπε ο Mirkin. «Στην πορεία διαπιστώνεις ότι υπάρχουν εξίσου ή ακόμα πιο ενδιαφέροντα πράγματα που πρέπει να ακολουθήσεις μέσω αυτής της διαδικασίας ανακάλυψης».

Η ομάδα παρατήρησε επίσης ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως όταν αύξησαν τον αριθμό των «συνδετών» DNA στα μικρά σωματίδια ή μείωσαν τη θερμοκρασία, τα μικρότερα σωματίδια σταμάτησαν να περιφέρονται και παρέμειναν σε σταθερές τοποθεσίες. Αυτή η συμπεριφορά μοιάζει με μια μετάβαση φάσης, είπαν οι ερευνητές — όπως όταν ένα μέταλλο αλλάζει από αγωγό σε μονωτή υπό ορισμένες συνθήκες.

Είναι πολύ νωρίς για να πούμε πού μπορεί να οδηγήσει αυτή η ανακάλυψη, αλλά μια πιθανή οδός για εξερεύνηση είναι εάν τα κινητά νανοσωματίδια θα αφήσουν αυτά τα υλικά να μεταφέρουν θερμότητα, κάτι που δεν ήταν δυνατό με τους κολλοειδείς κρυστάλλους από ακίνητα σωματίδια, σύμφωνα με τον Alex Travesset, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Iowa State University και ειδικός στη μοντελοποίηση νανοσωματιδίων που καλύπτονται από DNA που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

«Κάθε φορά που είμαστε σε θέση να επεκτείνουμε αυτό το πεδίο και να εξετάζουμε νέους τύπους δεσμών, όπως στην περίπτωση αυτή», είπε ο Travesset, «που ανοίγει μια εντελώς νέα πόρτα δυνατοτήτων στο θεμελιώδες επίπεδο που προσπαθεί να ωθήσει τα όρια αυτού που καταλαβαίνω."

Ενημερώθηκε στις 3 Σεπτεμβρίου 2019:Αυτό το άρθρο έχει ενημερωθεί για να διευκρινίσει τις ερευνητικές συνεισφορές της ομάδας με επικεφαλής τη Monica Olvera de la Cruz στο Northwestern University.