Naukowcy opracowali platformę do składania nano-rozmiarowych komponentów materiałowych, czyli „nano-obiektów”, bardzo różnych typów — nieorganicznych lub organicznych — w pożądane struktury 3-D. Chociaż samoorganizacja (SA) została pomyślnie wykorzystana do organizowania nanomateriałów różnych rodzajów, proces ten był niezwykle specyficzny dla danego systemu, generując różne struktury w oparciu o wewnętrzne właściwości materiałów. Jak podano w artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Nature Materials, ich nowa programowalna za pomocą DNA platforma nanofabrykacji może być stosowana do organizowania różnych materiałów 3-D w ten sam przepisany sposób w skali nano (miliardowe części metra), gdzie pojawiają się unikalne właściwości optyczne, chemiczne i inne.
„Jednym z głównych powodów, dla których SA nie jest techniką z wyboru w praktycznych zastosowaniach, jest to, że ten sam proces SA nie może być stosowany w szerokim zakresie materiałów w celu tworzenia identycznych uporządkowanych układów 3-D z różnych nanokomponentów” — wyjaśnił autor korespondencyjny Oleg Gang, lider Soft and Bio Nanomaterials Group w Center for Functional Nanomaterials (CFN) — US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility w Brookhaven National Laboratory — i profesor inżynierii chemicznej oraz fizyki stosowanej i nauki o materiałach w Columbia Engineering. „Tutaj oddzieliliśmy proces SA od właściwości materiału, projektując sztywne wielościenne ramy DNA, które mogą otaczać różne nieorganiczne lub organiczne nanoobiekty, w tym metale, półprzewodniki, a nawet białka i enzymy”.
Naukowcy skonstruowali syntetyczne ramy DNA w kształcie sześcianu, ośmiościanu i czworościanu. Wewnątrz ram znajdują się „ramiona” DNA, do których mogą się wiązać tylko nanoobiekty z komplementarną sekwencją DNA. Te materialne woksele — integracja ramy DNA i nanoobiektu — są elementami składowymi, z których można tworzyć makroskalowe struktury 3-D. Ramy łączą się ze sobą niezależnie od tego, jaki rodzaj nanoobiektu znajduje się w środku (lub nie), zgodnie z komplementarnymi sekwencjami, którymi są zakodowane w swoich wierzchołkach. W zależności od kształtu ramki mają różną liczbę wierzchołków i w ten sposób tworzą zupełnie inne struktury. Wszelkie nanoobiekty umieszczone wewnątrz ram przyjmują tę konkretną strukturę ramki.
Aby zademonstrować swoje podejście do montażu, naukowcy wybrali nanocząsteczki metaliczne (złoto) i półprzewodnikowe (selenek kadmu) oraz białko bakteryjne (streptawidyna) jako nieorganiczne i organiczne nanoobiekty, które miały zostać umieszczone wewnątrz ramek DNA. Najpierw potwierdzili integralność ramek DNA i powstawanie wokseli materiału poprzez obrazowanie mikroskopami elektronowymi w CFN Electron Microscopy Facility i Van Andel Institute, który posiada zestaw instrumentów działających w temperaturach kriogenicznych dla próbek biologicznych. Następnie zbadali struktury sieci 3-D na liniach wiązek Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering w National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) — innym DOE Office of Science User Facility w Brookhaven Lab. Profesor inżynierii chemicznej Uniwersytetu Columbia Engineering Bykhovsky, Sanat Kumar i jego grupa przeprowadzili modelowanie komputerowe, które ujawniło, że eksperymentalnie obserwowane struktury sieciowe (oparte na wzorach rozpraszania promieni rentgenowskich) były najbardziej stabilnymi termodynamicznie strukturami, jakie mogły utworzyć woksele materiału.
„Dzięki tym materialnym wokselom możemy zacząć wykorzystywać pomysły pochodzące z atomów (i cząsteczek) oraz tworzonych przez nie kryształów, a także przenosić tę ogromną wiedzę i bazę danych do interesujących nas systemów w skali nano” – wyjaśnił Kumar.
Studenci Ganga z Columbia zademonstrowali następnie, w jaki sposób platforma montażowa może być używana do kierowania organizacją dwóch różnych rodzajów materiałów o funkcjach chemicznych i optycznych. W jednym przypadku wspólnie zmontowali dwa enzymy, tworząc trójwymiarowe układy o dużej gęstości upakowania. Chociaż enzymy pozostały chemicznie niezmienione, wykazały około czterokrotny wzrost aktywności enzymatycznej. Te „nanoreaktory” można było wykorzystać do manipulowania reakcjami kaskadowymi i umożliwienia wytwarzania chemicznie aktywnych materiałów. W celu demonstracji materiałów optycznych zmieszali dwa różne kolory kropek kwantowych — maleńkich nanokryształów, które są używane do produkcji wyświetlaczy telewizyjnych o wysokim nasyceniu kolorów i jasności. Obrazy uchwycone za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego pokazały, że utworzona sieć utrzymywała czystość kolorów poniżej granicy dyfrakcji (długości fali) światła; ta właściwość może umożliwić znaczną poprawę rozdzielczości w różnych technologiach wyświetlania i komunikacji optycznej.
„Musimy przemyśleć na nowo, jak materiały mogą być formowane i jak działają” — powiedział Gang. „Przeprojektowanie materiałów może nie być konieczne; samo pakowanie istniejących materiałów w nowy sposób może poprawić ich właściwości. Potencjalnie nasza platforma może być technologią umożliwiającą „poza produkcją druku 3D” kontrolowanie materiałów na znacznie mniejszą skalę i przy większej różnorodności materiałów i zaprojektowanych kompozycjach. Zastosowanie tego samego podejścia do formowania trójwymiarowych kratownic z pożądanych nanoobiektów różnych klas materiałów, integrując te, które w przeciwnym razie byłyby uważane za niekompatybilne, mogłoby zrewolucjonizować nanoprodukcję”.
Materiały dostarczone przez DOE/Brookhaven National Laboratory. Uwaga: Treść może być edytowana pod względem stylu i długości.
Otrzymuj najnowsze wiadomości naukowe dzięki bezpłatnym newsletterom ScienceDaily, aktualizowanym codziennie i co tydzień. Możesz też przeglądać cogodzinne aktualizowane kanały informacyjne w czytniku RSS:
Powiedz nam, co myślisz o ScienceDaily — chętnie przyjmiemy zarówno pozytywne, jak i negatywne komentarze. Masz jakieś problemy z korzystaniem ze strony? Pytania?
Czas publikacji: 04-07-2022