Zespół badawczy z Northwestern University zademonstrował metodę tworzenia prawie idealnych monokryształów z nanocząstek i DNA. Sieć krystaliczna powstała przez powolne schładzanie roztworu nanocząsteczek złota i łącznikowego DNA. Struktury wytworzonych kryształów przypominają naturalne krystality diamentów, szafirów i innych kamieni szlachetnych.
Monokryształ to materiał będący w całości pojedynczym kryształem lub krystalitem mającym w całej objętości jednolitą budowę wewnętrzną (nie wykazuje zrostów, pęknięć i wtrąceń obcych substancji). W rzeczywistości monokryształy mają skończone wymiary, a w całej swej objętości zawierają pewną niewielką ilość defektów. Gdyby nie monokryształy nie mielibyśmy dzisiaj zaawansowanych komputerów, telefonów komórkowych i innych urządzeń elektronicznych (półprzewodnikowe kryształy krzemu). Rzadki minerał szafir, to monokryształ wykorzystywany jako ośrodek czynny nowoczesnych laserów i przy wyrobie biżuterii, podobnie jak diament. Uzyskanie wysokiej jakości struktur z precyzyjnie rozmieszczonymi atomami nie należy do najłatwiejszych zadań. Istnieje wiele sposobów wytwarzania kryształów, z najstarszą i jedną z najpowszechniej stosowaną metodą polskiego chemika Jana Czochralskiego.
Naukowcy z Illinois zaprezentowali technikę krystalizacji z użyciem specyficznego typu DNA. Technologia tworzenia pojedynczych kryształów bazuje na tzw. strukturach supersieci, mających specyficzne właściwości, zwłaszcza elektronowe. Zespół pod kierunkiem Chada A. Mirkina i Moniki Olvera de la Cruz opracował także teoretyczne założenia, które pozwolą przewidywać i symulować kształt nowych, trójwymiarowych struktur. Krystalizacja na poziomie molekularnym jest skomplikowana ze względu na oddziaływania międzycząsteczkowe i udział rozpuszczalnika. Aby uzyskać kryształ wysokiej jakości do zastosowania w przemyśle, atomy muszą być ułożone w określonej sieci o jak największej ciągłości i małym zdefektowaniu. Minimalny udział wad nadaje materiałowi pożądane właściwości elektryczne, mechaniczne, chemiczne i optyczne. Do produkcji trójwymiarowych kryształów naukowcy wykorzystali nanocząsteczki złota i jednoniciowe, łącznikowe DNA (z ang. linker DNA). Nici DNA tworzyły wiązania pomiędzy nanocząsteczkami i przekształcały nieuporządkowaną kompozycję w kryształ. Ważnym czynnikiem był stosunek długości nici DNA do rozmiarów nanocząstki. Wpływał on bezpośrednio na energię powierzchniową kryształów, która określa końcowy kształt kryształu. Niewłaściwy wskaźnik powodował duże wahania energii, a w rezultacie tworzenie sferycznej (kulistej) struktury. Przy zachowaniu odpowiedniego stosunku, w każdej próbie powstawały ścięte, ukośne powierzchnie kryształu (w jubilerstwie tzw. fasety).
Krystalizacja prowadzona z użyciem DNA różni się od tradycyjnych metod wytwarzania monokryształów. Naukowcy umieścili w wodzie około jednego miliona nanocząstek złota o średnicy od 5 do 20 nanometrów pokrytych nićmi DNA. Następnie ogrzewali roztwór to temperatury nieco przekraczającej temperaturę topnienia łącznikowego DNA. Kolejnym krokiem było powolne chłodzenie mieszaniny (dwu lub trzydniowe) do temperatury pokojowej. Bardzo wolny proces chłodzenia wspomagał precyzyjną samoorganizację nanocząstek oraz właściwe wiązanie łącznikowego DNA. Efektem tych działań był wysokiej jakości kryształ (dwunastościan rombowy) o wielkości około 3 mikrometrów. Badacze stwierdzili, że długość DNA nie może być wiele większa niż rozmiar nanocząstek, aby krystalizacja zachodziła prawidłowo.
Według naukowców nic nie stoi na przeszkodzie, aby po modyfikacji technologii wytwarzać monokryształy o znacznie większych rozmiarach. Inżynierowie twierdzą, że ich kryształy spełniają reguły konstrukcji Wuffa, czyli tworzenie preferowanych płaszczyzn krystalograficznych, mających na celu minimalizację energii powierzchniowej. Nowa technika może stać się potencjalną metodą produkcji monokrystalicznych lasek krzemu w przemyśle półprzewodników.
Źródło:
[1] DNA-mediated nanoparticle crystallization into Wulff polyhedra. Evelyn Auyeung, Ting I. N. G. Li, Andrew J. Senesi, Abrin L. Schmucker, Bridget C. Pals, Monica Olvera de la Cruz & Chad A. Mirkin. Nature (2013) doi:10.1038/nature12739
[2] http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12739.html [06.12.2013]
[3] http://www.northwestern.edu/newscenter/stories/2013/11/making-a-gem-of-a-tiny-crystal.html [06.12.2013]
[4] 800px-Gold-crystals by GrrlScientist, flickr.com, CC BY 2.0