チャド・マーキンは、物質の新しい特性を発見しようと試みたわけではありません。しかし、原子ベースの化学に代わるものを発明していると、何か奇妙なことが起こるはずです.
何年もの間、彼と彼の同僚は、彼が「プログラム可能な原子同等物」と呼んでいるもの、つまり原子の結合挙動を模倣する DNA 鎖で覆われた小さなナノ粒子を研究してきました。しかし、原子は周期表にあるものに限られているのとは異なり、ナノ粒子と DNA 結合はほぼ無限の方法で設計できます。
ノースウェスタン大学の化学者であるマーキンは、ノースウェスタン大学の物理学者であるモニカ・オルベラ・デ・ラ・クルスと協力して、これらのナノ粒子が規則的なパターンにどのように集合するかを調べていました。このような「コロイド」結晶は自然界に見られます — オパールはシリカの密集した小片から形成されます — しかし、研究者は、斬新で有用な特性を持つコロイド結晶を開発することを期待して、ラボで何百もの他のものを設計してきました.
しかし、チームが最も小さな粒子を大きな粒子と混合してコロイド結晶を作ったとき、奇妙なことが起こりました。予想通り、大きな粒子は結晶格子に配置されましたが、小さな粒子は構造全体を自由に動き回っていました。それでも、これらの小さな移動する粒子の存在は、より大きな粒子を所定の位置に保つのに役立つように思われた、とチームは Science で報告しました。 .
ニューヨーク大学の物理学者で、この研究には関与していない David Pine 氏は、次のように述べています。 「これは素材の新しい特性です。」
チームは、これらのナノ粒子の挙動と金属中の電子の挙動との間に類似性を見出しました。金属では、原子は固定された構造を形成しますが、電子はあらゆる場所を織り成し、どの単一の原子にも拘束されません。
「理論的な観点からは、非常にエキサイティングです」と Olvera de la Cruz 氏は述べています。 「この物質がこの新しい結合によって組織化されたとき、この物質はどのような物理的性質を持つようになるでしょうか?」
驚きのメタル
マーキンは、1996 年に DNA を使用してナノ粒子が互いにどのように接続するかを決定することを最初に提案しました。彼のアイデアは、個々のナノ粒子を DNA の鎖でコーティングし、ソファの下で猫のもつれでコーティングされた粘着性のハードキャンディーに似せることでした。
研究者は、これらの DNA 鎖を操作して、粒子がどのように相互作用するかを制御できます。たとえば、シーケンス AAGGAA で終わる DNA 鎖を持つ粒子は、TTCCTT で終わる鎖を持つ粒子に接続できますが、他の AAGGAA 粒子には接続できません。
「DNA のストランドを合成し、それらを粒子に取り付けて、他のベルクロ ボールを認識するように設計された化学的に特異的なベルクロを作成することができます」と Mirkin 氏は述べています。
最近の実験では、チームはナノ粒子のサイズと DNA 鎖の位置をより適切に制御しようとしていました。そうすれば、新しい物理的特性を備えた材料をより適切に設計できます。
この目的のために、チームは特に小さなナノ粒子の作成に取り組みました。典型的なナノ粒子は幅 10 ナノメートルで、数十万個の金原子から構成され、その表面から 150 程度の DNA「リンカー」鎖がぶら下がっています。このように数が多いため、粒子を構成する金原子の数や、DNA 鎖がどこに付着しているかを正確に制御することは困難です。
そこで研究者たちは、より一貫性のあるより小さな粒子に目を向けました。チームは、幅が 5、2、1.4 ナノメートルのナノ粒子を作成しました。最も小さいものは、数百個の金原子で構成され、ほんの一握りの DNA 鎖がぶら下がっていました。
研究者が 10 ナノメートルの粒子を相補的な 5 ナノメートルまたは 2 ナノメートルの粒子と組み合わせると、粒子は、結晶内の原子のように、期待される格子構造にきれいに配置されました。しかし、研究者が 10 ナノメートルの粒子を相補的な 1.4 ナノメートルの粒子と組み合わせたとき、2 種類の粒子は規則的な格子を形成しませんでした。むしろ、大きな粒子は格子状に並んでいますが、小さな粒子はそうではありませんでした。
これらの小さな粒子は結晶全体を移動し、相補的な粒子が次々と緩い結合しか形成しませんでした。しかし、10 ナノメートルの粒子はすべて同じ種類であり、互いに結合することができなかったため、小さな粒子とのこの一時的な結合は、大きなナノ粒子を所定の位置に保つためにまだ機能していたに違いありません.
研究チームは、この新しい挙動を金属結合と比較します。金属結合では、金属内の電子が固定された金属イオンの間をさまよい、どのイオンとも結合せず、構造全体を保持します。
「[私たちは]この現象を発見し、「うわー、これは本当に奇妙だ。これは異常です。それをたどりましょう」そして、それが科学の仕組みです」とマーキンは言いました。 「途中で、その発見プロセスを通じて、同じかそれ以上に興味深いものを追求することに気づきます。」
チームはまた、小さな粒子のDNA「リンカー」の数を増やしたり、温度を下げたりすると、小さな粒子がローミングを停止し、固定された場所にとどまる場合があることも観察しました。この挙動は、金属が特定の条件下で導体から絶縁体に変化するときのように、相転移に似ていると研究者は述べています。
この発見がどこにつながるかを判断するのは時期尚早ですが、探求すべき可能性のある手段の 1 つは、モバイル ナノ粒子がこれらの材料に熱を輸送させるかどうかということです。アイオワ州立大学と、この研究には関与していない DNA で覆われたナノ粒子のモデリングの専門家。
「この分野を拡大し、新しいタイプの結合を検討できるようになるたびに、この場合のように」Travesset 氏は次のように述べています。わかりました。」
2019 年 9 月 3 日に更新:この記事は、ノースウェスタン大学のモニカ オルベラ デ ラ クルスが率いるグループの研究貢献を明確にするために更新されました。
