Американские ученые разработали метод получения сверхрешеток в двумерных искусственных коллоидных кристаллах, состоящих из золотых наночастиц различной формы. Добиться этого удалось, совместив традиционный метод полимерной литографии с использованием комплементарного связывания молекул ДНК, пишут ученые в Science.

Для кристаллов со сверхрешетками кроме основной периодической структуры характерно дополнительное упорядочение системы за счет периодического изменения какого-то дополнительно свойства кристалла с периодом, превосходящим период решетки. В обычных кристаллах таким параметром может быть смещение атома относительно его равновесной позиции, электрический потенциал или направление спина. В искусственных коллоидных кристаллах, состоящих из нано- или микрочастиц и в искусственных массивах, таким параметром может быть, например ориентация или положение частиц. Создание сверхрешеток и упорядоченных архитектур в искусственных системах дает возможность управлять оптическими, механическими и электронными свойствами таких систем, однако при синтезе сложно одновременно контролировать взаимодействие между двумя частицами и между частицей и поверхностью.

Группа американских ученых под руководством Чада Миркина (Chad A. Mirkin) из Северо-Западного университета предложила собирать многослойные двумерные решетки из золотых наночастиц с заданной архитектурой (в том числе сверхрешетки) на золотых поверхностях с использованием олигонуклеотидов — небольших участков молекул ДНК. В предложенной методике ученые совместили два подхода: литографию с нанометровым разрешением и метод самосборки, основанный на взаимодействии между нуклеотидами.

Схема экспериментальной методики получения двумерных решеток из золотых наночастиц. Белым цветом обозначена пленка полиметилметакрилата, желтым — золотая подложка. Quin-Yuan Lin et al./ Science, 2018

Сначала с помощью метода полимерной литографии, основанного на создании пор в слое полиметилметакрилата, к нужным участкам золотой подложки пришивали небольшие участки ДНК с известной последовательностью нуклеотидов. После этого комплементарные им одноцепочечные молекулы ДНК присоединяли к поверхности золотых наночастиц различной формы (в том числе анизотропные): в виде дисков, треугольников, шариков и кубиков размером от 60 до 200 нанометров. За счет образования связи между нуклеотидами наночастицы пришивались к поверхности, после чего матрица из полиметилметакрилата растворялась.

Однослойные двумерные решетки из золотых наночастиц разной формы. Длина масштабной линейки — 200 нанометров. Quin-Yuan Lin et al./ Science, 2018

Варьируя состав нуклеотидов на подложке и наночастицах, а также размер пор в пленке полиметилметакрилата, химики управляли селективностью присоединения и ориентацией наночастиц на подложке. Кроме однослойных упорядоченных структур с помощью такого метода можно создавать и «многослойные» структуры, у которых в узлах решетки формируются столбики, состоящие из нескольких различных элементов, порядок которых тоже можно менять.

Отдельно авторы работы работы отмечают, что таким способом можно покрывать сверхрешетками из наночастиц достаточно большие поверхности. Уже сейчас ученые могут создавать упорядоченные массивы наночастиц площадью до 600 на 600 микрометров, и в дальнейшем эта площадь может быть увеличена. При этом с помощью традиционных методов сборки получить такие структуры очень тяжело даже на небольших площадях.

Многослойные структуры из золотых наночастиц разной формы. Длина масштабной линейки — 300 нанометров. Quin-Yuan Lin et al./ Science, 2018

По словам ученых, с помощью такого подхода можно получать метаматериалы, в которых оптические свойства определяются образованием поверхностных плазмонов. За счет изменения расстояния между частицами, их ориентации, размера и формы, а также свойств растворителя, в котором находится такая система, можно управлять оптическими свойствами получаемых двумерных кристаллов. В частности, с помощью такого подхода можно будет получать метаматериалы, для которых можно динамически изменять длину волны поглощаемого света во всем видимом диапазоне. Подобные материалы могут затем быть использованы, например, для создания медицинских сенсоров.

В метаматериалах оптические свойства зависят не столько от химических свойств самого материала, сколько от структуры, которая позволяет, например, получать цветные голограммы или защищать пилотов от ослепления лазером. Подробнее о метаматериалах с необычными оптическими свойствами вы можете прочитать в нашем материале.

Автор: Александр Дубов