211service.com
DNA kan ordne nanopartikler til materialer som manipulerer lys på nye måter
Når en lang DNA-tråd blandes med kortere tråder designet for å feste seg til det lengre stykket på spesifikke steder, kan disse kortere trådene fungere som å forbinde stivere som kobler deler av den lengre tråden sammen, og tvinger den til å selvmontere til en tredimensjonal form.
Biokjemikere har brukt denne DNA-origamien til å lage komplekse former, inkludert kuber, smilefjes og til og med grove kart over Kina og Amerika.
Men dette er bare begynnelsen. DNA-origami har potensial til å lage et bredt spekter av enheter på molekylær skala. Biokjemikere har begynt å leke med kunstige enzymer, medikamentleveringssystemer og kanskje til og med nanoboter som kan utforske kroppen.
Fysikere har også begynt å utforske teknologiens potensial. I dag gjennomgår Chao Zhou ved Max Planck Institute for Intelligent Systems i Tyskland og et par kolleger måten DNA-origami kan lage eksotiske metamaterialer som manipulerer lys på måter som ikke er mulig med konvensjonelle materialer. De viser også hvordan man lager formendrende DNA-strukturer som kan fungere som brytere og til og med kan gå over overflater.
De siste årene har fysikere begynt å studere i detalj hvordan fotoner samhandler med havet av elektroner i metallledere. Fotoner som slår inn i dette plasmoniske havet skaper bølger på overflaten, som et asteroideangrep i jordens hav.
Disse bølgene bærer informasjon som kan manipuleres på forskjellige måter. I tillegg til å absorbere lys, kan det plasmoniske havet spre det og overføre informasjon til det.
Så det er ikke vanskelig å se hvorfor plasmonikk er en spennende fremvoksende disiplin for informasjonsbehandling og kommunikasjon. Men den er fortsatt i sin spede begynnelse på grunn av en rekke utfordringer, ikke minst er nanometerskalaen den forekommer på. Det er vanskelig å lage og manipulere metallstrukturer i denne skalaen.
Det er der DNA-origami kommer inn i bildet. Ideen er å feste nanopartikler eller nanorods av metall til en DNA-streng og deretter sette den sammen til en bestemt form som forankrer nanopartikler på plass.
Ulike grupper, inkludert Zhou og co, har gjort dette ved å bruke gullnanopartikler og nanorods festet til DNA-rør for å lage spiralformede strukturer. De ruller deretter disse rørene til ringer.
Fordi heliksene kan være høyrehendte eller venstrehendte, samhandler de med sirkulært polarisert lys på forskjellige måter. Og det gir en måte å selektivt forhøre dem på.
Disse ringene har svært spesifikke optiske egenskaper, for eksempel evnen til å samhandle med lys som er polarisert i en eller annen retning. Dessuten kan små endringer i formen deres dramatisk endre disse egenskapene, fordi de tvinger nanopartikler nærmere hverandre eller lenger fra hverandre.
Med mange av molekylene i løsning, kan teamet overvåke disse endringene ved å analysere lys når det passerer gjennom. For eksempel endrer pH-verdien strukturen til molekyler på en måte som kan endre brytningsindeksen til løsningen. På samme måte kan disse strukturene registrere endringer i temperatur, ionekonsentrasjon eller magnetiske felt, samt tilstedeværelsen av andre aktive molekyler.
Lys i seg selv kan endre konfigurasjonen til molekylene, og bytte dem fra en form til en annen. Dette fører til programmerbare nanostrukturer med former som kan endres ved å zappe dem med lys. Disse molekylene har et stort potensial for nanofotoniske kretser og logiske porter.
Formendrende molekyler øker muligheten for andre enheter. Levende celler er fylt med molekylære maskiner som kan gå langs strukturer i cellen, for eksempel mikrotubuli. Disse maskinene inkluderer molekylære motorer som kinesin og dynein.
Plasmoniske strukturer laget av gullnanorods kan endre form på lignende måte, slik at de også kan gå. Zhou og co har faktisk laget og testet slike plasmoniske vandrere i laboratoriet deres ved å bruke nanorods som ben.
Det plasmoniske rullatorsystemet besto av et dobbeltlags DNA-origamispor, en gullnanorod som rullator og en annen gullnanorod som statoren, sier de.
Alt dette er proof-of-princip-arbeid med spennende prospekter. Visjonen er at disse maskinene vil føre til en ny generasjon av enormt følsomme biologiske sensorer og aktuatorer som kanskje til og med kan jobbe inne i kroppen. De kan også føre til funksjonelle overflater og kretsløp med egenskaper som kan slås av og på med lys. Det er god plass for utforskninger for å fremme dette spennende tverrfaglige feltet videre, sier Zhou og co.
Det er også mange utfordringer. Et problem er at DNA-strukturer raskt brytes ned, så det vil være viktig å finne måter å gjøre dem mer stabile på. En annen er at kvanteeffekter spiller inn når nanopartikler og nanorods plasseres svært nær hverandre. Å karakterisere disse vil også være viktig.
Og mens de fleste av disse optiske effektene er et resultat av lys som interagerer med metall, er et interessant spørsmål om DNA-molekylene i seg selv kan samhandle med lys - og i så fall hvordan dette kan utnyttes.
Både for biokjemikere, fysikere og ingeniører er det et felt å holde øye med.
Ref: arxiv.org/abs/1803.06753 : DNA Nanoteknologi-aktivert chiral plasmonikk: Fra statisk til dynamisk