Химики разработали метод получения наночастиц из оксида кремния размером от 10 до 1000 нанометров в форме треугольников, квадратов, кубов, тетраэдров и других плоских и объемных фигур. В качестве матрицы для этих частиц исследователи предложили использовать структуры из нуклеиновых кислот, полученные с помощью метода ДНК-оригами, которые затем покрываются слоем оксида кремния. В дальнейшем полученные частицы могут использоваться для получения метаматериалов или создания плазмонных наноустройств, пишут ученые в Nature.
За счет наличия в структуре молекул ДНК комплементарных элементов, способных избирательно соединяться между собой, из них можно собирать структуры заданной формы. На такой сборке основан метод ДНК-оригами, который довольно давно и успешно используется для создания довольно сложных двумерных и трехмерных структур массой до гигадальтона. Эти структуры огромных по меркам молекулярного мира размеров можно использовать как сами по себе, так и в качестве матриц для получения других наноматериалов. Например, объединив метод ДНК-оригами с традиционными литографическими методами, химикам удалось получить золотые наночастицы в форме креста и галстука-бабочки, которые потом можно использовать в качестве плазмонных наноантенн.
Группа исследователей из Китая и США под руководством Чуньхая Фаня (Chunhai Fan) из Шанхайского института прикладной физики предложила похожим образом получать наночастицы заданной формы, но уже не из золота, а из основе оксида кремния. Как и при синтезе золотых частиц, форма частиц из оксида кремния повторяла форму ДНК, однако воспроизведение структуры в предложенной технологии происходит не с помощью литографических методов (где ДНК служит маской для травления), а за счет непосредственной замены ДНК на оксид кремния. Чтобы провести синтез частиц из оксида кремния, ученые сначала получили по отработанным процедурам ДНК-оригами нанометровые частицы, полностью состоящие из двойных спиралей ДНК. После этого, к торчащим из цепочки ДНК наружу фосфатным группам присоединялись этоксисилановые молекулы, содержащие в своем составе аммонийные группы. После присоединения к ДНК первого слоя молекул дальнейший рост осуществлялся за счет использования этоксисиланов, не содержащих азот. А дальнейший гидролиз приводил к образованию оксида кремния. Толщину слоя из кремния и кислорода химики меняли, просто увеличивая время роста.
С помощью экспериментов и компьютерного моделирования авторы работы подобрали такие параметры, при которых адсорбция кремний-содержащих молекул на ДНК и их гидролиз происходят с оптимальной скоростью. В результате метод «силицификации» ДНК-оригами удалось адаптировать для самых разных плоских и объемных структур.
Всего были получены частицы гибридного состава с ДНК-ядром девяти различных форм. Это были как плоские частицы: например в виде квадрата, треугольника или креста, — так и объемные: каркасные частицы в форме куба и тетраэдра, и объемные частицы в форме тора или пиалы. Размер каждой из этих частиц составил от 10 до 1000 нанометров. Структуру и состав частиц авторы работы подтвердили с помощью методов электронной и атомно-силовой микроскопии и картирования элементного состава.
С некоторыми из частиц исследователи провели и дальнейшие операции. Например, из шестиугольных плоских частиц ученым удалось собрать довольно протяженные упорядоченные плоские решетки. Для тетраэдрической частицы были проведены измерения механических свойств, которые показали, что при сжатии она ведет себя упруго и остается при этом довольно жесткой (ее модуль Юнга составляет около 1 гигапаскаля, что в 10 раз больше, чем до силицификации). Также ее механические свойства не теряются, если к некоторым ее граням присоединить золотые наностержни.
В дальнейшем ученые планируют адаптировать предложенный метод для получения и других неорганических частиц, состоящих, например, из фосфата или карбоната кальция или оксидов металлов. Также метод перспективен для синтеза слоистых частиц заданной геометрии. По словам авторов работы, использоваться эти частицы могут при создании метаматериалов или для плазмонных устройств.
Другая область, в которой использование метода ДНК-оригами считается крайне перспективным — медицинские технологии. Например, недавно китайским ученым удалось получить с помощью ДНК-оригами нанороботов, которые могут доставлять лекарство к опухолевым клеткам млекопитающих и вызывать образование тромбов.
Александр Дубов