Selbstassemblierung von DNA-überzogenen kolloidalen Teilchen

Die Natur selbst ist das eindrucksvollste Beispiel, dass sich hoch komplexe Systeme erfolgreich von selbst aus kleineren, vorgefertigten "Bausteinen" assemblieren können. Die große Herausforderung im Design von Nanomaterialien besteht darin, eine ähnliche Zugangsweise auf das Design von komplexen, funktionellen Materialien anzuwenden. Dabei müssen zwei Herausforderungen bewältigt werden: einerseits müssen geeignete Bausteine konstruiert werden, welche sich zum Beispiel durch ihre Form oder ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften auszeichnen. Andererseits gilt es, die Baublöcke gezielt zu einer gewünschten, größeren Struktur zusammenzubauen. Ziel des beantragten Projektes ist es, sich die grundlegenden Merkmale von selektiver "Selbstassemblierung" in einem speziellen System, nämlich DNA überzogenen kolloidalen Teilchen, zu Nutzen zu machen und mit Hilfe von theoretischen und numerischen Methoden zu untersuchen, ob solche Systeme komplexe regelmäßige Strukturen aufbauen können. Die Motivation gerade diese Systeme zu betrachten basiert auf zwei Gründen: erstens können DNA überzogene Kolloide mittlerweile verhältnismäßig leicht experimentell hergestellt werden. Dabei werden mehrere Fäden doppelstrangiger DNA, an deren Ende eine kurze Sequenz eines einfachen DNA Stranges überragt, chemisch auf der Oberfläche von Kolloidteilchen fixiert. Zweitens können solche Teilchen einfache Kristallstrukturen aufbauen. Diese Strukturen werden dadurch stabilisiert, dass sich die überstehenden einfachen DNA Enden wie Streifen eines Klettverschlusses verhalten und mit den Enden von DNA Strängen benachbarter Kolloide hybridisieren. Andererseits verfügen wir nur über stark eingeschränktes Verständnis der statischen und dynamischen Eigenschaften von DNA-überzogenen Kolloiden. Im Zuge der Durchführung unseres Projektes wollen wir uns zuerst auf die Erforschung von kugelförmigen, DNA überzogenen Kolloiden konzentrieren. Vor allem gilt es dabei, den Einfluss wichtiger Systemparameter, wie z.B. der Anzahl von DNA Strängen pro Kolloid, deren Länge oder Biegbarkeit auf die Eigenschaften des Systems hin zu untersuchen. Dafür werden wir existierende Computersimulationstechniken geeignet adaptieren, sodass man die freie Energie der gegebenen Systeme mit hoher Präzision bestimmen kann. Mit Hilfe dieser Methoden wird es möglich sein, die effektive Wechselwirkung zwischen zwei kolloidalen Teilchen, die mit DNA überzogen sind, als Funktion des Abstands zwischen den Teilchen zu bestimmen. Weiters werden wir anschließend das Gleichgewichtsphasendiagramm dieser Systeme bestimmen. Angesichts der Tatsache, dass kolloidale Teilchen heutzutage in einer großen Vielfalt an verschiedenen Formen synthetisiert werden können, werden unsere Untersuchungen im weiteren Verlauf des Projekts auch nicht- kugelförmige kolloidale Teilchen (z.B. Stäbe, Plättchen und Polyeder), die mit DNA überzogen sind, umfassen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Frage, ob solche anisotropen Bausteine dem System erlauben, neuartige, komplexe kristalline Strukturen aufzubauen. Weiters könnten harte Teilchen als Versteifung loser Strukturen benützt werden, die das System davon abhalten dichtgepackte Kristalle aufzubauen. Das letzte Thema, das wir in diesem Projekt behandeln wollen, sind die kinetischen Eigenschaften der vorgestellten Systeme. Sowohl die Gastgruppe als auch die Universität Cambridge selbst stellen einen idealen Ort zur Durchführung dieses Projekts dar. Ich werde dabei nicht nur von der hervorragenden Expertise von Prof. Frenkel profitieren, sondern auch von der wissenschaftlichen und örtlichen Nähe zu hervorragenden experimentellen Forschungsgruppen.