Doppelhelix ordnet Kristalle
Forscher der FAU entwickeln Verfahren zur DNA-programmierten Materialsynthese
Ingenieuren der FAU ist es erstmals gelungen, komplexe Kristallgitter, sogenannte Clathrate, aus Nanoteilchen mithilfe von DNA-Strängen gezielt herzustellen. Die programmierte Synthese von Clathraten ist beispielgebend für die präzise Herstellung neuartiger Nanomaterialien. Die Ergebnisse der Forscher wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht (doi: 10.1126/science.aal3919).
In der Biologie steht die DNA für die Programmierung des Lebens: In ihr ist die Erbinformation enthalten, die Anordnung ihrer Basenpaare bestimmt den Aufbau der Aminosäuren und damit letztlich des gesamten Organismus. Seit einigen Jahren nutzen Wissenschaftler das Ordnungspotenzial der DNA auch in anderen Disziplinen – in der Informatik zum Beispiel oder bei der Synthese neuartiger Materialien auf der Nanoskala. In Zusammenarbeit mit weltweit führenden Nanotechnologen der University of Michigan und der Northwestern University (beide USA) sind Ingenieure der FAU jetzt in eine neue Dimension der DNA-programmierten Materialsynthese vorgestoßen: Ihnen ist es gelungen, pyramidenförmige Goldkristalle gezielt zu komplexen Clathratverbindungen zu ordnen.
DNA bestimmt Gitterstruktur
Für die Synthese wurden die in einer Suspension befindlichen, 250 Nanometer großen Goldkristalle – die im Experiment stellvertretend für Atome stehen, die sich zu Clathraten formieren können – mit künstlicher DNA versetzt. „Die DNA-Stränge heften sich an die Goldpartikel und bringen sie in einem Selbstorganisationsprozess in eine bestimmte Position“, erklärt Prof. Dr. Michael Engel vom Lehrstuhl für Multiskalensimulation. „Je nach Länge der DNA-Sequenzen und Anordnung der Basenpaare entstehen unterschiedliche dreidimensionale Gitterstrukturen. Durch die DNA-Programmierung können wir quasi die Architektur des Kristallgitters bestimmen – und zwar sehr präzise.“
Clathrate – Atomkäfige mit breitem Anwendungsspektrum
Für die Materialforschung sind Clathrate deshalb so interessant, weil sie aus Atom-Käfigen bestehen, in die andere Stoffe, zumeist Gase, eingelagert werden können. „Die kontrollierte Herstellung von kolloidalen Clathraten eröffnet ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Michael Engel. „Zum einen könnten die Materialien für die Erkennung von Proteinen oder Viren eingesetzt werden. Zum anderen führt die gezielte Beeinflussung bestimmter Parameter des Kristallgitters zu Materialeigenschaften, die in einfacheren kolloidalen Kristallen nicht erreichbar sind.“
Die Forschung in Erlangen wurde durchgeführt im Rahmen des Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials (EAM).
Die Forschungsergebnisse wurden unter dem Titel „Clathrate colloidal crystals“ in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.
Kontakt:
Prof. Dr. Michael Engel
Tel: 09131 85-20857
michael.engel@fau.de