ДНК-орігамі допомогло отримати тетраедри і куби з оксиду кремнію

Хіміки розробили метод отримання наночастинок з оксиду кремнію розміром від 10 до 1000 нанометрів у формі трикутників, квадратів, кубів, тетраедрів та інших плоских і об'ємних фігур. Як матрицю для цих частинок дослідники запропонували використовувати структури з нуклеїнових кислот, отримані за допомогою методу ДНК-орігамі, які потім покриваються шаром оксиду кремнію. Надалі отримані частинки можуть використовуватися для отримання метаматеріалів або створення плазмонних наноустроїв, пишуть вчені в.

За рахунок наявності в структурі молекул ДНК комплементарних елементів, здатних вибірково з'єднуватися між собою, з них можна збирати структури заданої форми. На такій збірці заснований метод ДНК-орігамі, який досить давно і успішно використовується для створення досить складних почесних і тривимірних структур масою до гігадальтона. Ці структури величезних за мірками молекулярного світу розмірів можна використовувати як самі по собі, так і в якості матриць для отримання інших наноматеріалів. Наприклад, об'єднавши метод ДНК-орігамі з традиційними літографічними методами, хімікам вдалося отримати золоті наночастинки у формі хреста і краватки-метелики, які потім можна використовувати як плазмонні наноантени.

Група дослідників з Китаю і США під керівництвом Чуньхая Фаня (Chunhai Fan) з Шанхайського інституту прикладної фізики запропонувала схожим чином отримувати наночастинки заданої форми, але вже не з золота, а з основі оксиду кремнію. Як і при синтезі золотих частинок, форма частинок з оксиду кремнію повторювала форму ДНК, однак відтворення структури в запропонованій технології відбувається не за допомогою літографічних методів (де ДНК служить маскою для цькування), а за рахунок безпосередньої заміни ДНК на оксид кремнію. Щоб провести синтез частинок з оксиду кремнію, вчені спочатку отримали за відпрацьованими процедурами ДНК-орігамі нанометрові частинки, що повністю складаються з подвійних спіралей ДНК. Після цього, до ДНК назовні фосфатних груп, що стирчать з ланцюжка ДНК, приєднувалися лояльні молекули, що містять в своєму складі амонійні групи. Після приєднання до ДНК першого шару молекул подальше зростання здійснювалося за рахунок використання ^ ксисиланів, що не містять азот. А подальший гідроліз призводив до утворення оксиду кремнію. Товщину шару з кремнію і кисню хіміки змінювали, просто збільшуючи час зростання.

За допомогою експериментів і комп'ютерного моделювання автори роботи підібрали такі параметри, при яких адсорбція кремній-містять молекул на ДНК і їх гідроліз відбуваються з оптимальною швидкістю. У результаті метод «силіціфікації» ДНК-орігамі вдалося адаптувати для різних плоских і об'ємних структур.

Всього були отримані частинки гібридного складу з ДНК-ядром дев'яти різних форм. Це були як плоскі частинки: наприклад у вигляді квадрата, трикутника або хреста, - так і об'ємні: каркасні частинки у формі куба і тетраедра, і об'ємні частинки у формі тора або піали. Розмір кожної з цих частинок становив від 10 до 1000 нанометрів. Структуру та склад частинок автори роботи підтвердили за допомогою методів електронної та атомно-силової мікроскопії та картування елементного складу.

З деякими з частинок дослідники провели і подальші операції. Наприклад, з шестикутних плоских частинок вченим вдалося зібрати досить протяжні впорядковані плоскі решітки. Для тетраедричної частинки були проведені вимірювання механічних властивостей, які показали, що при стисненні вона поводиться упруго і залишається при цьому досить жорсткою (її модуль Юнга становить близько 1 гігапаскаля, що в 10 разів більше, ніж до силіціфікації). Також її механічні властивості не втрачаються, якщо до деяких її гранях приєднати золоті наностержні.

Надалі вчені планують адаптувати запропонований метод для отримання й інших неорганічних частинок, що складаються, наприклад, з фосфату або карбонату кальцію або оксидів металів. Також метод перспективний для синтезу шаровистих частинок заданої геометрії. За словами авторів роботи, використовуватися ці частинки можуть при створенні метаматеріалів або для плазмонних пристроїв.

Інша область, в якій використання методу ДНК-орігамі вважається вкрай перспективним - медичні технології. Наприклад, нещодавно китайським вченим вдалося отримати за допомогою ДНК-орігамі нанороботів, які можуть доставляти ліки до пухлинних клітин ссавців і викликати утворення тромбів.