Double-helical assembly of heterodimeric nanoclusters into supercrystals

纳米团簇 结构母题 自组装 结晶学 生物分子 纳米技术 化学 范德瓦尔斯力 DNA折纸 DNA 生物物理学 材料科学 纳米结构 分子 生物 生物化学 有机化学
作者
Yingwei Li,Meng Zhou,Yongbo Song,Tatsuya Higaki,He Wang,Rongchao Jin
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:594 (7863): 380-384 被引量:199
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03564-6
摘要

DNA has long been used as a template for the construction of helical assemblies of inorganic nanoparticles1–5. For example, gold nanoparticles decorated with DNA (or with peptides) can create helical assemblies6–9. But without such biological ligands, helices are difficult to achieve and their mechanism of formation is challenging to understand10,11. Atomically precise nanoclusters that are protected by ligands such as thiolate12,13 have demonstrated hierarchical structural complexity in their assembly at the interparticle and intraparticle levels, similar to biomolecules and their assemblies14. Furthermore, carrier dynamics can be controlled by engineering the structure of the nanoclusters15. But these nanoclusters usually have isotropic structures16,17 and often assemble into commonly found supercrystals18. Here we report the synthesis of homodimeric and heterodimeric gold nanoclusters and their self-assembly into superstructures. While the homodimeric nanoclusters form layer-by-layer superstructures, the heterodimeric nanoclusters self-assemble into double- and quadruple-helical superstructures. These complex arrangements are the result of two different motif pairs, one pair per monomer, where each motif bonds with its paired motif on a neighbouring heterodimer. This motif pairing is reminiscent of the paired interactions of nucleobases in DNA helices. Meanwhile, the surrounding ligands on the clusters show doubly or triply paired steric interactions. The helical assembly is driven by van der Waals interactions through particle rotation and conformational matching. Furthermore, the heterodimeric clusters have a carrier lifetime that is roughly 65 times longer than that of the homodimeric clusters. Our findings suggest new approaches for increasing complexity in the structural design and engineering of precision in supercrystals. Ligand-protected gold nanoclusters are engineered to form complex arrangements of double and quadruple helices, which are based on the pairing of motifs on neighbouring enantiomers, akin to the base pairing seen in DNA double helices.
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