Журнал "Nature": специалисты компании "Дюпон" совместно с учеными из Университета Лихай усовершенствовали методику сортировки углеродных нанотрубок

ВИЛМИНГТОН, Делавэр, 16 июля 2009 года: специалисты компании "Дюпон" совместно с учеными из Университета Лихай (США) усовершенствовали методику сортировки углеродных нанотрубок с использованием отрезков ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов. Впервые эта методика была опубликована в 2003 году. Метод ДНК-сортировки наглядно продемонстрировал возможность сортировки нанотрубок по размеру, физическим свойствам и симметрии (хиральности).

Новое открытие, описанное в данном выпуске журнала “Nature” (том 460 №. 7252), получило название "Применение различных схем ДНК-последовательностей для структурированного распознавания и отделения углеродных нанотрубок". Соавторами исследования стали специалисты компании "DuPont" — ученые Мин Цзэн и Сяоминь Ту, работавшие совместно с профессором кафедры химического машиностроения Университета Лихай, Анандом Джаготой и студентом Сурешом Манохаром. Исследование финансировалось за счет гранта, выделенного Национальным научным фондом для работы исследовательской группы, куда входили представители Университета Лихай (Lehigh University), Массачусетского технологического института (MIT) и компании "Дюпон".

С момента открытия однослойных углеродных нанотрубок в начале 1990-х годов отмечался повышенный интерес к их электрическим, механическим и термическим свойствам, открывавшим поистине революционные возможности в наноэлектронике. Однако однослойные углеродные нанотрубки существуют в виде комбинации из трубок разных видов, с разными свойствами, что существенно ограничивает возможности их применения. В 2003 году в одной из статей в журнале "Science", авторами которой были ученые из компании "Дюпон", в том числе и Цзэн, был раскрыт метод отделения друг от друга разных видов углеродных нанотрубок с использованием дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это стало первым наглядным примером решаемости проблемы сортировки углеродных нанотрубок. Компания "Дюпон" продолжила исследования. В результате, в девятом январском выпуске "Science" была опубликована технология химического разделения нанотрубок с полупроводниковыми свойствами и характерной для металлов электропроводностью. Данная разработка стала важным достижением в этой малоизученной области, будучи единственным методом, основанным на использовании молекул биологического происхождения для эффективной сортировки углеродных нанотрубок. Теперь можно выделять из общей массы нанотрубки с требуемыми оптическими, электронными и химическими свойствами.
"Наш метод похож на метод сортировки снежинок путем обволакивания каждой снежинки молекулами ДНК, — говорит Цзэн. — Нанотрубки бывают разных размеров и форм, каждый их вид имеет свои уникальные свойства, пригодные для использования во многих сферах — от производства транзисторов для электроники или световых элементов для дисплеев, до применяемых в фотогальванике проводящих пленок. В избранном нами методе сложно определить, какие последовательности ДНК больше всего подходят для сортировки нанотрубок. Наш подход можно охарактеризовать как попытку методом проб и ошибок прочесть хранящуюся в библиотеке ДНК информацию. Мы опробовали более 350 различных последовательностей ДНК, выделив в результате около 20, пригодных для эффективной сортировки".

На протяжении всех 18 месяцев исследовательских работ Цзэн и Ту занимались экспериментами по выявлению цепочек ДНК, пригодных для использования в целях сортировки. В это время Джагота и Манохар разрабатывали молекулярные модели. В основу метода положены данные исследований 2003 года, согласно которым цепочка молекул ДНК обвивается вокруг стенок однослойной углеродной трубки снаружи и вступает во взаимодействие с микроскопическими ячейками, составленными из атомов углерода, в процессе анионной хроматографии. Ход процесса зависит от типа углеродной нанотрубки, на которую воздействуют дезоксирибонуклеиновой кислотой. Гибриды ДНК и углеродных нанотрубок имеют разные электростатические свойства, которые в свою очередь, определяются диаметром трубки и поведением электронов. В результате последних исследований было выявлено, что взаимодействие ДНК и нанотрубок зависят как от типа трубки, так и от схемы последовательности нуклеотидов отрезка ДНК. Исследовательская группа сосредоточила усилия на определении цепочек ДНК, наиболее эффективно срабатывавших на "свой" вид нанотрубок. Библиотека цепочек ДНК огромна, поэтому шансы найти в ней нужные цепочки методом проб и ошибок крайне низки. Исследователи разработали метод, названный "расширением последовательности", представляющий собой более прогрессивный способ систематизированного изучения библиотеки цепочек ДНК. В результате было найдено 12 цепочек, позволяющих эффективно выделять 12 видов нанотрубок с чистотой фракций от 80 до 90 %.

"Мы переживаем поистине исторический момент, когда биология и материаловедение сталкиваются на наноуровне, и это открывает широкие возможности для новых научных и технологических разработок, — говорит Цзэн. — Мы считаем, что это оптимальный метод для отделения и сортировки всех видов нанотрубок, который позволит эффективно использовать потенциал этих структур для создания высококачественных продуктов в области наноэлектроники и нанофотогальваники". 

Корпорация "DuPont Science & Technology" создает технологии и механизмы трансформации для новых и существующих отраслей промышленности, опираясь на многолетнее, богатое наследие передовой науки и инноваций. Доля новых продуктов, запущенных в коммерческое производство за последние 5 лет, составляет 35 % в общем обороте компании.
"Дюпон" — компания с научным подходом к организации производства и оказанию услуг. Основанная в 1802 году, компания "Дюпон" ставит науку себе на службу, создавая экобезопасные решения, совершенное необходимые для более безопасной и здоровой жизни людей в любом уголке планеты. Ведя работу в 70 с лишним странах, "Дюпон" предлагает потребителям широкий круг инновационных товаров и услуг для различных областей применения, в частности для сельского хозяйства и пищевой промышленности, строительства, телекоммуникаций и транспорта.