Самосборка фотонных кристаллов идет путем контроля зарождения и роста коллоидов, покрытых ДНК
Сборка оптических метаматериалов из коллоидов, покрытых ДНК, была центральной целью программируемой самосборки на протяжении десятилетий. Несмотря на значительные успехи в расширении структурного разнообразия коллоидных кристаллов, недостаточное понимание путей кристаллизации препятствует реализации программируемых метаматериалов. Поэтому ученые решили развить полное понимание динамики кристаллизации и показали, что кинетика зарождения и роста коллоидов, покрытых ДНК, принципиально отличается от кинетики атомов или малых молекул.
Для решения поставленных задач, ученые использовали микрофлюидику — для количественной оценки кинетики запрограммированной ДНК самосборки по всему пути кристаллизации, от термически активированного зарождения до ограниченных реакцией и диффузией фаз роста кристаллов. Подробные измерения зависимости кинетики от температуры и концентрации на всех стадиях кристаллизации с помощью лабораторных измерительных приборов обеспечили строгую проверку классических теорий зарождения и роста.
Выводы, полученные в результате работы, в целом двояки. Во-первых, построенная в ходе исследования модель может предсказать абсолютные скорости зарождения и темпы роста с точностью до порядка их измеренных значений, что ранее было невозможным. Ученым удалось установить точное описание температурных и концентрационных зависимостей барьера зарождения, поверхностного натяжения и законов роста для коллоидов, привитых ДНК микрометрового размера. В частности, стало возможным объяснить, почему формирование больших граненых кристаллов с этими частицами было исторически сложной задачей.
Во-вторых, применение данной модели для прогнозирования морфологии кристаллов, которые формируются в различных условиях и экспериментальных протоколах, привело к сборке миллионов крупных, хорошо ограненных монокристаллов, которые демонстрируют ярко выраженную структурную окраску. Это достижение положительно повлияет на разработку экспериментальные протоколы для управления запрограммированной ДНК коллоидной самосборкой.
Оно также указывает на дальнейшее практическое применение формирования коллоидных кристаллов в каплях. При оптимально настроенном экспериментальном протоколе капли могут использоваться для селективной самосборки различных морфологий и размеров кристаллов, следуя механизму ограничения размера, аналогичному по духу механизму конечного пула самоограничивающейся сборки в живых клетках. Кроме того, используя неинвазивные методы для постоянной перекрестной связи коллоидов, покрытых ДНК, после кристаллизации и затем, растворяя поверхность раздела капель, может оказаться возможным использовать кристаллы с капельным ядром для продолжения роста более крупных монокристаллов в объеме.
Все эти результаты обещают, что долгосрочные цели программирования полного пути самосборки для заданных кристаллических структур, а затем расширения этой технологии для создания более сложных структур, наконец, могут быть достигнуты. Данная работа, по словам ученых, является важным шагом в создании оптических метаматериалов следующего поколения из коллоидов.
