Ученые объединили подход ДНК-оригами с традиционной нанолитографией и разработали метод получения металлических наночастиц заданной формы с нанометровым разрешением. Форма частиц соответствует форме использованных в качестве шаблонов структур из ДНК и позволяет использовать их, например, в качестве элементов оптических сенсоров, пишут ученые в Science Advances.

Последние несколько лет методики ДНК-оригами развиваются действительно быстрыми темпами. Разработанный чуть более 10 лет назад подход, основанный на использовании комплементарных связей между азотистыми основаниями, уже сейчас позволяет получать трехмерные структуры достаточно большого размера (в том числе из единственной молекулы), или двумерные микронные массивы нанометрового разрешения с пришитыми в заданных местах функциональными частицами. Тем не менее, действительно полезных применений для метода ДНК-оригами пока предложено довольно мало.

Один из возможных способов полезного применения ДНК-оригами уже сейчас — это использование формы ДНК-структур в качестве шаблона для наночастиц другого состава, например из металла и полупроводника. Именно такой подход использовали ученые из Финляндии, США и Дании под руководством Юсси Топпари (J. Jussi Toppari) из Университета Йювяскюля, объединив ДНК-оригами с традиционными литографическими методами, чтобы можно получить металлические частицы нужной формы.

Сложенная молекула ДНК четко заданной формы в предложенном подходе использовалась в качестве шаблона, который сначала наносился на кремниевую поверхность, а потом задавал форму дополнительного слоя, который служил маской для осаждения металла. Всего предложенный литографический метод включал в себя восемь стадий осаждения пленок различного состава, растворения, химического и ионного травления. В результате всех этих стадий ученые получали металлические частицы (из золота или сплава золота и палладия) нужной формы на инертной подложке (кварца или нитрида кремния).

Схема предложенного литографического метода получения металлических наночастиц нужной формы. B. Shen et al./ Science Advances, 2018

Предложенную методику ученые назвали литографией с помощью ДНК (DNA-assisted lithography, DALI) и смогли получить с помощью нее несколько металлических структур заданной формы. Всего авторы работы использовали три различных типа сложенных молекул ДНК: в виде креста, галстука-бабочки или в форме буквы Z. Форма частиц выбиралась исходя из их возможного дальнейшего использования для оптических приложений с использованием плазмонного резонанса. Например, золотые наночастицы в виде бабочки (с нанометровым зазором между двумя половинками) можно использовать в качестве плазмонных антенн, принимающих сигнал в видимом диапазоне, а из хиральных Z-образных частиц можно делать элементы биосенсоров для определения оптически активных молекул.

Три различных типа полученных частиц. Сверху представлена модель структуры сложенных ДНК, по центру — фотография ДНК, полученная с помощью атомно-силовой микроскопии, снизу — золотые наночастицы, полученные с помощью этих ДНК. B. Shen et al./ Science Advances, 2018

Микрофотография массива металлических частиц (золотых — по центру и справа, и из сплава золота и палладия — слева) на поверхности нитрида кремния. Размер вставок с отдельными наночастицами — 150 на 150 нанометров. B. Shen et al./ Science Advances, 2018

Исследователи отмечают, что поскольку с помощью предложенного метода металлические частицы нужной формы можно получать на прозрачных подложках, то использование разработанной литографической методики крайне перспективно для получения плазмонных оптических устройств, а также метаматериалов, состоящих из наночастиц размером около 10 нанометров. При этом большая часть форм металлических частиц, которые можно получить с помощью предложенного метода, недоступна для получения традиционными способами, в частности подходами, основанными на «мокрой химии». Особенно сильно можно выиграть таким образом в точности задания формы конечной структуры.

Использовать ДНК для литографических методов получения наноструктур, состоящих из металлических частиц, можно не только в качестве шаблонов, но и, например, для соединения частиц между собой и построения из них упорядоченных массивов. Недавно американские ученые предложили использовать такой метод для создания сверхрешеток, состоящих из золотых наночастиц различной формы.

Автор: Александр Дубов