Strategia sintetica nella progettazione dei metamateriali

Significativo passo avanti nell’assemblaggio di nanoparticelle poliedriche. Il DNA diventa “progetto” e “mani” per costruire materiali avanzati

Sebbene i nanocristalli con forme poliedriche ben definite possano essere assemblati in reticoli ordinati con lunghi linker di DNA, i linker di grandi dimensioni spesso non preservano la forma dell'impaccamento. I ricercatori hanno dimostrato che il posizionamento di un distanziatore flessibile tra il filamento di ancoraggio rigido del DNA e l'estremità adesiva del DNA a filamento singolo disaccoppia il legame delle estremità adesive dalla forma del nanocristallo. Questo approccio consente agli elementi costitutivi poliedrici imperfetti di assemblarsi in strutture altamente ordinate che riempiono lo spazio e ai nanocristalli che non riempiono lo spazio di co-confezionarsi come forme complementari.

Non è possibile generare disposizioni che riempiano lo spazio della maggior parte delle nanostrutture poliedriche discrete della stessa forma. Tuttavia, se vengono selezionati i singoli elementi costitutivi appropriati (ad esempio, i cubi), o più forme delle dimensioni appropriate vengono abbinate (ad esempio, ottaedri e tetraedri) e le loro interazioni di accoppiamento vengono successivamente forzate, possono essere possibili architetture piene di spazio. Con ligandi molecolari flessibili (DNA modificato con glicole polietilenico), la forma di una nanoparticella poliedrica può essere deliberatamente alterata e utilizzata per realizzare geometrie che favoriscono la tassellatura spaziale.

In un articolo pubblicato su Science (1), gli scienziati Chad Mirkin e Sharon Glotzer e i loro team rispettivamente della Northwestern University e dell’University of Michigan, presentano scoperte nel campo delle nanotecnologie che potrebbero avere un impatto sul modo in cui vengono realizzati i materiali avanzati.

L'articolo descrive un significativo passo avanti nell'assemblaggio di nanoparticelle poliedriche. I ricercatori introducono e dimostrano la potenza di una nuova strategia sintetica che espande le possibilità nella progettazione dei metamateriali. Questi sono i materiali insoliti che sono alla base dei “mantelli dell’invisibilità” e dei sistemi informatici ottici ad altissima velocità.

«Manipoliamo materiali su macroscala nella vita di tutti i giorni usando le nostre mani», ha affermato il dottor Chad A. Mirkin (2), professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences. «Anche i bambini in età prescolare possono facilmente manipolare i mattoncini dei giocattoli, incastrandoli perfettamente per riempire lo spazio. Su scala nanometrica, non possiamo usare le mani per manipolare i mattoni delle nanoparticelle a causa della grande differenza di dimensioni tra le nostre mani e le nanoparticelle. Perché il DNA e le nanoparticelle hanno dimensioni sulla stessa scala di lunghezza e possiamo codificare chimicamente le particelle con il DNA in modo che possano essere progettate per riconoscere particelle complementari, e quindi il DNA diventa effettivamente sia un progetto che mani che eseguono istruzioni specifiche».

Queste “mani” sono progettate per riconoscere particelle con forme complementari e disporle per formare strutture che riempiono lo spazio.

Un nuovo metodo per creare utili cristalli di nanoparticelle

Gli approcci convenzionali alla progettazione di cristalli di nanoparticelle utilizzando il DNA come elemento di legame devono ancora portare a disposizioni di piastrellatura tridimensionale (3D) piena di spazio. Per ottenere questi utili cristalli pieni di spazio, i ricercatori della Northwestern hanno impiegato ligandi molecolari più corti e più flessibili di quelli normalmente utilizzati. Nello specifico, hanno utilizzato DNA modificato con glicole oligoetilene. Le unità di glicole oligoetilenico agiscono come una sorta di ammortizzatore che si adatta alla lunghezza appropriata per garantire che le forme possano adattarsi insieme in modo quasi perfetto. Finora, questo nuovo materiale da costruzione ha portato alla sintesi di 10 nuovi cristalli colloidali che non sarebbe possibile preparare altrimenti e che hanno il potenziale per essere utilizzati per la progettazione e la costruzione di metamateriali con proprietà senza precedenti.

Lasciare trasparire i veri colori

Le nanoparticelle sono intrinsecamente imperfette – anche quelle singole prodotte nello stesso lotto sintetico hanno dimensioni e forme leggermente diverse – e questa caratteristica può limitare la loro capacità di riempire in modo efficiente lo spazio quando si assemblano. Inoltre, i filamenti di DNA tradizionalmente utilizzati nell’assemblaggio sono quasi altrettanto lunghi o più lunghi del diametro delle particelle e quindi hanno mascherato alcuni contributi cruciali della geometria delle particelle nel legame. Il risultato: è stato scoperto che le particelle con sfaccettature ben definite si comportano come quelle geometricamente meno complesse.

Il team ha superato questi due ostacoli disaccoppiando i contributi del guscio del ligando del DNA e della forma delle nanoparticelle. In effetti, i filamenti di DNA sono essenziali per il processo di assemblaggio: sono la “colla” che viene manipolata per tenere insieme le particelle. Ma i ricercatori hanno utilizzato filamenti di DNA che erano molto più corti e più flessibili. Il DNA corto consente di rivelare la complementarità di forma delle nanoparticelle e di rifletterla poi nel prodotto assemblato. Il DNA flessibile fornisce lo spazio di manovra necessario per accogliere lievi imperfezioni nella dimensione e nella forma delle nanoparticelle poliedriche. Questo spazio di manovra consente alle nanoparticelle con forme imperfette di creare piastrellature come quelle delle forme perfette. In questo modo, sono stati formati assemblaggi altamente ordinati tramite l'allineamento sfaccettato.

Due al prezzo di uno

«Disaccoppiando i contributi del guscio del ligando del DNA e della forma del nucleo, abbiamo sbloccato una nuova frontiera nella nanotecnologia, consentendo la creazione di cristalli colloidali altamente ordinati con forme e dimensioni precedentemente ritenute impossibili da realizzare. Questa svolta non solo espande la portata dei cristalli colloidali, ma presenta anche un kit di strumenti versatile per la progettazione di metamateriali», ha affermato Wenjie Zhou, ex studente laureato del Mirkin Group, uno degli autori principali dello studio.

Sorprendentemente, questa nuova strategia consente due tattiche di progettazione significative. In primo luogo, elementi costitutivi poliedrici imperfetti o con forme completamente diverse possono essere assemblati in strutture altamente ordinate che riempiono lo spazio. In secondo luogo, il DNA flessibile fornisce ulteriori gradi di libertà nell’assemblaggio di nanoparticelle poliedriche che non riempiono lo spazio, portando alla creazione di cristalli complessi con simmetrie non precedentemente ottenibili mediante l’ingegneria dei cristalli colloidali con DNA.

Ampliare lo spazio di progettazione

La ricerca dimostra la capacità di progettare cristalli colloidali di grandi dimensioni che riempiono lo spazio utilizzando semplici considerazioni geometriche. Gli assemblaggi presentati rappresentano solo una frazione del vasto spazio di progettazione di questa strategia rivoluzionaria. Per questo motivo, sarà importante abbinare esperimento e teoria per arrivare a strutture target utili.

«Qui, il lavoro sperimentale è stato confermato dalla simulazione in silico e il nostro lavoro teorico ha offerto nuove intuizioni su ciò che stava accadendo ex silico», ha affermato la dottoressa Sharon C. Glotzer (3), presidente del dipartimento di ingegneria chimica di Anthony C Lembke. «Utilizzando una combinazione di entrambe le modalità di ricerca e lavorando insieme, i nostri gruppi hanno imparato molto di più sul sistema di quanto avremmo mai potuto lavorare in modo indipendente. Ecco perché il lavoro interdisciplinare rappresenta il meglio assoluto della scienza e dell’ingegneria».

Per molti versi, questi risultati erano inaspettati. Mirkin afferma: «Non è affatto ovvio che si possano prendere due sistemi altamente imperfetti e progettare elementi di legame del DNA che producano cristalli quasi perfetti pieni di spazio. È una straordinaria dimostrazione dell’utilità del progetto della natura per codificare il risultato dei materiali».

Mirkin e Glotzer sono gli autori corrispondenti dell'articolo intitolato “Space-tiled colloidal crystals from DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing”.

Fondato nel 2000 come organizzazione ombrello per unire e promuovere gli sforzi nel campo delle nanotecnologie, l’International Institute for Nanotechnology, diretto da Mirkin, rappresenta e unisce più di 1,2 miliardi di dollari nella ricerca sulle nanotecnologie, nei programmi educativi e nelle infrastrutture di supporto.

Riferimenti:

(1) Space-tiled colloidal crystals from DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing

(2) Chad A. Mirkin

(3) Sharon C. Glotzer

Descrizione foto: Molecole spaziatrici all’interno del DNA. - Credit: International Institute for Nanotechnology.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Significant leap forward in assembling polyhedral nanoparticles