Wetenskaplikes het 'n platform ontwikkel vir die samestelling van nanogrootte materiaalkomponente, of "nano-voorwerpe," van baie verskillende tipes - anorganies of organies - in gewenste 3-D strukture. Alhoewel selfsamestelling (SA) suksesvol gebruik is om verskeie soorte nanomateriale te organiseer, was die proses uiters sisteem-spesifiek en het verskillende strukture gegenereer gebaseer op die intrinsieke eienskappe van die materiale. Soos berig in 'n artikel wat vandag in Nature Materials gepubliseer is, kan hul nuwe DNA-programmeerbare nanovervaardigingsplatform toegepas word om 'n verskeidenheid 3-D-materiale op dieselfde voorgeskrewe maniere te organiseer op die nanoskaal (miljardstes van 'n meter), waar unieke optiese, chemiese , en ander eienskappe na vore kom.
"Een van die belangrikste redes waarom SA nie 'n voorkeurtegniek vir praktiese toepassings is nie, is dat dieselfde SA proses nie oor 'n wye reeks materiale toegepas kan word om identiese 3-D-geordende skikkings van verskillende nanokomponente te skep nie," het die ooreenstemmende skrywer Oleg Gang verduidelik. , leier van die Sagte en Bio Nanomateriale Groep by die Sentrum vir Funksionele Nanomateriale (CFN) - 'n Amerikaanse Departement van Energie (DOE) Kantoor van Wetenskap Gebruikersfasiliteit by Brookhaven Nasionale Laboratorium -- en 'n professor in Chemiese Ingenieurswese en Toegepaste Fisika en Materiaalwetenskap by Columbia Engineering. "Hier het ons die SA-proses van materiaaleienskappe ontkoppel deur rigiede veelvlakkige DNS-rame te ontwerp wat verskeie anorganiese of organiese nano-voorwerpe kan omhul, insluitend metale, halfgeleiers en selfs proteïene en ensieme."
Die wetenskaplikes het sintetiese DNS-rame in die vorm van 'n kubus, oktaëder en tetraëder ontwerp. Binne die rame is DNS-“arms” waaraan slegs nano-voorwerpe met die komplementêre DNS-volgorde kan bind. Hierdie materiaalvoksels - die integrasie van die DNA-raam en nano-voorwerp - is die boustene waaruit makroskaal 3-D strukture gemaak kan word. Die rame verbind met mekaar ongeag watter soort nano-voorwerp binne is (of nie) volgens die komplementêre rye waarmee hulle by hul hoekpunte geënkodeer is. Afhangende van hul vorm, het rame 'n ander aantal hoekpunte en vorm dus heeltemal verskillende strukture. Enige nano-voorwerpe wat binne die rame gehuisves word, neem daardie spesifieke raamstruktuur aan.
Om hul samestellingsbenadering te demonstreer, het die wetenskaplikes metaal- (goud) en halfgeleidende (kadmiumselenied) nanopartikels en 'n bakteriese proteïen (streptavidien) gekies as die anorganiese en organiese nano-voorwerpe wat binne die DNS-rame geplaas moet word. Eerstens het hulle die integriteit van die DNS-rame en vorming van materiaalvoksels bevestig deur beeldvorming met elektronmikroskope by die CFN-elektronmikroskopiefasiliteit en die Van Andel-instituut, wat 'n reeks instrumente het wat by kryogeniese temperature werk vir biologiese monsters. Hulle het toe die 3-D-roosterstrukture ondersoek by die samehangende harde X-straalverstrooiing en komplekse materiaalverstrooiingsstraallyne van die Nasionale Synchrotron Ligbron II (NSLS-II) - nog 'n DOE Kantoor van Wetenskap Gebruikersfasiliteit by Brookhaven Lab. Columbia Ingenieurswese Bykhovsky Professor in Chemiese Ingenieurswese Sanat Kumar en sy groep het berekeningsmodellering uitgevoer wat aan die lig gebring het dat die eksperimenteel waargenome roosterstrukture (gebaseer op die x-straalverstrooiingspatrone) die mees termodinamies stabiele is wat die materiaalvoksels kon vorm.
"Hierdie materiële voxels stel ons in staat om idees te begin gebruik wat afkomstig is van atome (en molekules) en die kristalle wat hulle vorm, en hierdie groot kennis en databasis oor te dra na stelsels van belang op die nanoskaal," het Kumar verduidelik.
Gang se studente by Columbia het toe gedemonstreer hoe die monteerplatform gebruik kan word om die organisasie van twee verskillende soorte materiale met chemiese en optiese funksies aan te dryf. In een geval het hulle twee ensieme saamgestel, wat 3-D-skikkings met 'n hoë pakkingsdigtheid geskep het. Alhoewel die ensieme chemies onveranderd gebly het, het hulle omtrent 'n viervoudige toename in ensiematiese aktiwiteit getoon. Hierdie "nanoreaktors" kan gebruik word om kaskadereaksies te manipuleer en die vervaardiging van chemies aktiewe materiale moontlik te maak. Vir die demonstrasie van optiese materiaal het hulle twee verskillende kleure kwantumkolle gemeng - klein nanokristalle wat gebruik word om televisieskerms met hoë kleurversadiging en helderheid te maak. Beelde wat met 'n fluoressensiemikroskoop vasgevang is, het getoon dat die gevormde rooster kleursuiwerheid onder die diffraksiegrens (golflengte) van lig gehandhaaf het; hierdie eienskap kan aansienlike resolusieverbetering in verskeie vertoon- en optiese kommunikasietegnologieë moontlik maak.
“Ons moet herbesin oor hoe materiaal gevorm kan word en hoe dit funksioneer,” het Gang gesê. "Materiaalherontwerp is dalk nie nodig nie; bloot bestaande materiaal op nuwe maniere te verpak kan hul eienskappe verbeter. Potensieel kan ons platform 'n bemagtigende tegnologie 'buite 3-D-drukvervaardiging' wees om materiale op baie kleiner skale en met groter materiaalverskeidenheid te beheer en ontwerpe komposisies Deur dieselfde benadering te gebruik om 3-D-roosters te vorm uit gewenste nano-voorwerpe van verskillende materiaalklasse, wat dié wat andersins oorweeg sou word, integreer. onverenigbaar, kan nanovervaardiging 'n rewolusie teweegbring."
Materiaal verskaf deur DOE/Brookhaven Nasionale Laboratorium. Let wel: Inhoud kan geredigeer word vir styl en lengte.
Kry die jongste wetenskapnuus met ScienceDaily se gratis e-posnuusbriewe, wat daagliks en weekliks opgedateer word. Of bekyk uurlikse opgedateerde nuusvoere in jou RSS-leser:
Vertel ons wat jy van ScienceDaily dink -- ons verwelkom beide positiewe en negatiewe kommentaar. Het u enige probleme met die gebruik van die webwerf? Vrae?
Plaas tyd: Jan-14-2020