Навукоўцы распрацавалі платформу для зборкі кампанентаў нанапамернага матэрыялу або «нанааб'ектаў» вельмі розных тыпаў - неарганічных або арганічных - у жаданыя 3-D структуры. Нягледзячы на тое, што самазборка (SA) паспяхова выкарыстоўвалася для арганізацыі нанаматэрыялаў некалькіх відаў, гэты працэс быў надзвычай спецыфічным для сістэмы, ствараючы розныя структуры, заснаваныя на ўнутраных уласцівасцях матэрыялаў. Як паведамляецца ў артыкуле, апублікаваным сёння ў Nature Materials, іх новую праграмуемую ДНК платформу нанафабрыкацыі можна прымяніць для арганізацыі разнастайных 3-D матэрыялаў такімі ж прадпісанымі спосабамі ў нанамаштабе (мільярдныя долі метра), дзе ўнікальныя аптычныя, хімічныя , і з'яўляюцца іншыя ўласцівасці.
«Адна з галоўных прычын, чаму SA не з'яўляецца метадам выбару для практычнага прымянення, заключаецца ў тым, што адзін і той жа працэс SA не можа быць ужыты да шырокага дыяпазону матэрыялаў для стварэння аднолькавых 3-D упарадкаваных масіваў з розных нанакампанентаў», - растлумачыў аўтар-карэспандэнт Алег Ганг. , кіраўнік групы па мяккіх і біянанаматэрыялах у Цэнтры функцыянальных нанаматэрыялаў (CFN) - Упраўленні па навуцы Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE) на Нацыянальная лабараторыя Брукхейвена - і прафесар хімічнага машынабудавання і прыкладной фізікі і матэрыялазнаўства ў Columbia Engineering. «Тут мы аддзялілі працэс SA ад уласцівасцяў матэрыялу, распрацаваўшы жорсткія шматгранныя каркасы ДНК, якія могуць інкапсуляваць розныя неарганічныя або арганічныя нанааб'екты, уключаючы металы, паўправаднікі і нават вавёркі і ферменты».
Навукоўцы сканструявалі сінтэтычныя каркасы ДНК у форме куба, актаэдра і тэтраэдра. Унутры рамак знаходзяцца «рукі» ДНК, з якімі могуць звязвацца толькі нанааб'екты з камплементарнай паслядоўнасцю ДНК. Гэтыя матэрыяльныя вакселі - інтэграцыя каркаса ДНК і нанааб'екта - з'яўляюцца будаўнічымі блокамі, з якіх можна ствараць макрамаштабныя 3-D структуры. Кадры злучаюцца адзін з адным незалежна ад таго, які нанааб'ект знаходзіцца ўнутры (ці не) у адпаведнасці з дадатковымі паслядоўнасцямі, якімі яны закадаваны ў сваіх вяршынях. У залежнасці ад сваёй формы рамы маюць розную колькасць вяршынь і, такім чынам, утвараюць зусім розныя структуры. Любыя нанааб'екты, размешчаныя ўнутры фрэймаў, прымаюць гэтую спецыфічную структуру фрэйма.
Каб прадэманстраваць свой падыход да зборкі, навукоўцы абралі металічныя (золата) і паўправадніковыя (селенід кадмію) наначасціцы і бактэрыяльны бялок (стрэптавідын) у якасці неарганічных і арганічных нанааб'ектаў, якія будуць змешчаны ў рамкі ДНК. Па-першае, яны пацвердзілі цэласнасць каркасаў ДНК і фарміраванне матэрыяльных вокселяў шляхам візуалізацыі з дапамогай электронных мікраскопаў у CFN Electron Microscopy Facility і Van Andel Institute, які мае набор прыбораў, якія працуюць пры крыягенных тэмпературах для біялагічных узораў. Затым яны даследавалі трохмерныя структуры рашоткі на лініях прамянёў кагерэнтнага жорсткага рассейвання рэнтгенаўскіх прамянёў і рассейвання складаных матэрыялаў Нацыянальнай крыніцы сінхратроннага святла II (NSLS-II) - яшчэ адной установы карыстальнікаў Міністэрства навукі Міністэрства энергетыкі ў Брукхейвенскай лабараторыі. Прафесар хімічнага машынабудавання Быхаўскага інстытута Columbia Engineering Санат Кумар і яго група правялі вылічальнае мадэляванне, якое паказала, што эксперыментальна назіраныя структуры рашоткі (на аснове карцін рассейвання рэнтгенаўскіх прамянёў) былі найбольш тэрмадынамічна стабільнымі, якія маглі ўтварыць вакселі матэрыялу.
«Гэтыя матэрыяльныя вокселі дазваляюць нам пачаць выкарыстоўваць ідэі, атрыманыя з атамаў (і малекул) і крышталяў, якія яны ўтвараюць, і перанесці гэтыя велізарныя веды і базу дадзеных у цікавыя сістэмы нанамаштабу», — растлумачыў Кумар.
Затым студэнты Ганга ў Калумбійскім універсітэце прадэманстравалі, як платформу зборкі можна выкарыстоўваць для арганізацыі двух розных відаў матэрыялаў з хімічнымі і аптычнымі функцыямі. У адным выпадку яны сабралі два ферменты, стварыўшы 3-D масівы з высокай шчыльнасцю ўпакоўкі. Хаця ферменты засталіся хімічна нязменнымі, яны паказалі прыблізна чатырохразовае павелічэнне ферментатыўнай актыўнасці. Гэтыя «нанарэактары» могуць выкарыстоўвацца для маніпулявання каскаднымі рэакцыямі і стварэння хімічна актыўных матэрыялаў. Для дэманстрацыі аптычнага матэрыялу яны змяшалі два розныя колеры квантавых кропак - малюсенькія нанакрышталі, якія выкарыстоўваюцца для стварэння тэлевізійных дысплеяў з высокай насычанасцю колеру і яркасцю. Выявы, зробленыя з дапамогай флуарэсцэнтнага мікраскопа, паказалі, што сфарміраваная рашотка захоўвае чысціню колеру ніжэй мяжы дыфракцыі (даўжыні хвалі) святла; гэтая ўласцівасць можа дазволіць значна палепшыць разрозненне ў розных дысплеях і тэхналогіях аптычнай сувязі.
"Нам трэба перагледзець, як матэрыялы могуць быць сфарміраваны і як яны функцыянуюць", - сказаў Ганг. «Рэдызайн матэрыялу можа не спатрэбіцца; простая ўпакоўка існуючых матэрыялаў па-новаму можа палепшыць іх уласцівасці. Патэнцыйна наша платформа можа стаць спрыяльнай тэхналогіяй «па-за вытворчасцю 3D-друку» для кантролю матэрыялаў у значна меншых маштабах і з большай разнастайнасцю матэрыялаў і спраектаваныя кампазіцыі з выкарыстаннем таго ж падыходу для фарміравання 3-D рашотак з патрэбных нанааб'ектаў розных класаў матэрыялаў, аб'ядноўваючы тыя, якія ў іншым выпадку разглядаліся б. несумяшчальны, можа зрабіць рэвалюцыю ў нанавытворчасці».
Матэрыялы прадастаўлены Міністэрствам энергетыкі/Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыяй. Заўвага: змесціва можна рэдагаваць па стылі і працягласці.
Атрымлівайце апошнія навіны навукі з бясплатнымі інфармацыйнымі бюлетэнямі ScienceDaily, якія абнаўляюцца штодня і штотыдзень. Або праглядайце стужкі навін, якія абнаўляюцца штогадзіны, у счытвальніку RSS:
Раскажыце нам, што вы думаеце пра ScienceDaily - мы вітаем як станоўчыя, так і адмоўныя каментарыі. Узніклі праблемы з выкарыстаннем сайта? Ёсць пытанні?
Час публікацыі: 14 студзеня 2020 г