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科学家开发一种光驱三维电浆纳米系统

发布时间:2018-05-15

em马克斯普朗克智能系统研究所的科学家已经开发出了一对剪刀形式的纳米等离子体激光系统,他们可以使用紫外线打开剪刀。 / em

纳米机器将来可以承担各种任务。有一天,他们可能能够在人体内进行医学精密工作,或帮助分析流动实验室中的病原体和污染物。斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的科学家们现在已经提出了一种可用于专门移动和控制这种机器的可能部件。他们已经开发出一种剪刀形式的纳米等离子体激光系统,它们可以使用紫外线打开。只要他们用可见光而不是紫外光照射纳米结构,它就会再次关闭。研究人员可以借助它们激发的金颗粒观察结构变化。

动物和植物细胞以及细菌存储关于其完整结构和DNA中所有重要过程的信息。在纳米技术中,DNA不是携带科学家使用的遗传组成的能力,而是其弹性结构。这允许他们构建小型机器的组件,例如电机和其他工具。

然而,为了能够设计出完整的纳米机器,科学家们必须逐步设计和进一步开发机器的可能亚单元。来自马克斯普朗克智能系统研究所的研究人员与来自日本和美国的同事现在开发了一种由DNA制成的结构,可以用作纳米电机或纳米齿轮箱的移动部件。就像剪刀的两个刀片一样,它们有两个由一种铰链连接的DNA束。每个束只有80纳米长,每个束由彼此平行的14根盘绕的DNA组成。最初,剪刀状纳米结构的运动被偶氮苯制成的化学挂锁阻挡,其可以通过紫外光打开。

em纳米等离子体系统由DNA组成,并通过可见光封闭。两个DNA束(灰色)通过由两个突出的DNA末端(红色)组成的小分子挂锁结合在一起。嵌入其中的是偶氮苯,其在被紫外光(紫色)激发时改变其结构。这导致两个DNA束彼此分开,并且两条DNA链之间的角度打开。研究人员可以使用从所谓的圆二色(CD)光谱(右上)获得的光谱来检测这种结构变化,其中对小金棒(黄色)上的等离子体激元的变化留下特征性迹线。当研究人员在系统处于打开状态时关闭紫外光并打开可见光(vis)时,偶氮苯改变其结构并且两个DNA末端再次连接。 < / EM>

化学挂锁通过光线打开

偶氮苯成分各自与从每束突出的DNA螺纹连接。在可见光下,偶氮苯残基呈现允许两束中突出的DNA链彼此连接的结构 - 两束非常接近。然而,只要研究人员用紫外光激发DNA偶氮苯复合物,偶氮苯就会改变其结构。这导致两个松散的DNA末端分开,铰链在几分钟内就会打开。因此,在某种意义上,光线起着运动的润滑剂的作用。一旦紫外灯关闭,偶氮苯再次改变其结构,并且两个DNA末端再次连接:纳米系统关闭。 “当我们想要开发一台机器时,它不仅要在一个方向上工作,还必须是可逆的,”负责斯图加特马克斯普朗克研究所研究小组的Laura Na Liu说。这里的DNA束不会移动,因为光线的变化或偶氮苯改变了结构,但仅仅是因为布朗分子运动。

研究人员可以观察纳米结构如何打开和关闭。为此,他们将DNA纳米技术与所谓的nanoplasmonics联系起来:一个研究领域,涉及金属表面的电子振荡 - 所谓的等离子体振子。当光照射到金属颗粒上时会产生等离子体激元,并在合适的光照下留下特征标记。

小金棒提供有关开放状态的信息

由Laura Na Liu领导的研究小组利用两根小金棒产生了这些等离子体,每根都坐在两束DNA中的一束上。使用剪刀的类比,这两个金颗粒分别位于剪刀片的外侧并像剪刀铰链处的DNA束一样交叉。光激发不仅使分子挂锁固定在一起的两个DNA束弹开,金颗粒上的等离子体也开始振荡。当剪刀状结构打开时,两根金棒之间的角度也会发生变化,这对等离子体激元产生影响。研究人员可以通过用具有适当特性的光照射纳米系统并测量其变化来观察这些变化。因此他们甚至可以确定DNA束之间的角度。

“我们第一次成功地用光控制纳米等离子体激光系统。而这正是我们的动力,“劳拉娜刘说。研究人员和她的同事以前曾研究过可以进行化学控制的纳米系统。但是,化学品控制并不那么干净,在系统中留下残留物。

Laura Na Liu在光控剪刀设计方面已经有了一个应用。该系统可以作为控制纳米颗粒排列的工具。 “由于两束DNA束之间的角度可以控制,它可以改变纳米粒子在太空​​中的相对位置,”Laura Na Liu说。此外,科学家们认为目前的工作是迈向纳米机器的一步。纳米等离子体激元系统可以是这种机器的一部分。

出版物:Anton Kuzyk等人,“光驱动的三维等离子体纳米系统,将分子运动转化为可逆的光学功能”,Nature Communications 7,Article number:10591; DOI:10.1038 / ncomms10591

来源:马克斯普朗克研究所