Учените са разработили платформа за сглобяване на наноразмерни компоненти на материали или „нано-обекти“ от много различни видове-неорганични или органични-в желаните 3-D структури. Въпреки че самосглобяването (SA) успешно се използва за организиране на наноматериали от няколко вида, процесът е изключително специфичен за системата, генерирайки различни структури въз основа на присъщите свойства на материалите. Както се съобщава в документ, публикуван днес в Nature Materials, новата им ДНК-програмируема нанофабрикационна платформа може да бъде приложена за организиране на различни 3-D материали по същите предписани начини на наноразмер (милиарди от метър), където се появяват уникални оптични, химически и други свойства.
"One of the major reasons why SA is not a technique of choice for practical applications is that the same SA process cannot be applied across a broad range of materials to create identical 3-D ordered arrays from different nanocomponents," explained corresponding author Oleg Gang, leader of the Soft and Bio Nanomaterials Group at the Center for Functional Nanomaterials (CFN) -- a US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility at Национална лаборатория в Брукхейвън - и професор по химическо инженерство и при приложна физика и материали в Columbia Engineering. "Тук отделихме процеса на SA от свойствата на материала, като проектирахме твърди полиедрични ДНК рамки, които могат да капсулират различни неорганични или органични нано-обекти, включително метали, полупроводници и дори протеини и ензими."
Учените проектираха синтетични ДНК рамки във формата на куб, октаедър и тетраедър. Вътре в рамките има ДНК "Arms", на които само нано-обектите с допълващата ДНК последователност могат да се свържат. Тези материали воксели-интегрирането на ДНК рамката и нано-обект-са градивните елементи, от които могат да се правят 3-D структури на макроскалета. Кадрите се свързват помежду си, независимо от това какъв вид нано-обект е вътре (или не) според допълнителните последователности, с които са кодирани при техните върхове. В зависимост от формата им, рамките имат различен брой върхове и по този начин образуват изцяло различни структури. Всички нано-обекти, хоствани във вътрешността на рамките, поемат тази специфична структура на рамката.
За да демонстрират своя подход за сглобяване, учените избраха метални (златни) и полупроводникови (кадмиев селенид) наночастици и бактериален протеин (стрептавидин) като неорганични и органични нано-обекти, които ще бъдат поставени вътре в ДНК кадрите. Първо, те потвърдиха целостта на ДНК рамките и образуването на материални воксели чрез изобразяване с електронни микроскопи в съоръжението за електронна микроскопия на CFN и института Ван Андел, който има набор от инструменти, които работят при криогенни температури за биологични проби. След това те проучиха 3-D решетъчните структури на кохерентния твърд рентгенов разсейване и сложни материали, разпръснати лъчеви линии на националния синхротронен източник на светлина II (NSLS-II)-друг офис на потребителското съоръжение на Synchrotron в Brookhaven Lab. Колумбийският инженеринг Бидховски професор по химическо инженерство Санат Кумар и неговата група извършиха изчислително моделиране, разкривайки, че експериментално наблюдаваните решетъчни структури (въз основа на моделите на разсейване на рентгенови лъчи) са най-термодинамично стабилните, които могат да образуват материалите воксели.
„Тези материални воксели ни позволяват да започнем да използваме идеи, получени от атоми (и молекули) и кристалите, които те формират, и да приведем това огромно знание и база данни към системи, които представляват интерес в наноразмерния“, обясни Кумар.
След това студентите на бандата в Колумбия демонстрираха как платформата за сглобяване може да се използва за управление на организацията на два различни вида материали с химически и оптични функции. В един случай те съвместно сглобиха два ензима, създавайки 3-D масиви с висока плътност на опаковане. Въпреки че ензимите остават химически непроменени, те показаха около четирикратно увеличение на ензимната активност. Тези „нанореактори“ могат да се използват за манипулиране на каскадни реакции и да се даде възможност за производство на химически активни материали. За демонстрацията на оптичния материал те смесиха два различни цвята на квантовите точки - малки нанокристали, които се използват за изработване на телевизионни дисплеи с високо цветово насищане и яркост. Изображенията, заснети с флуоресцентен микроскоп, показват, че образуваната решетка поддържа чистота на цветовете под дифракционната граница (дължина на вълната) на светлината; Това свойство би могло да позволи значително подобрение на разделителната способност в различни технологии за дисплей и оптична комуникация.
"Трябва да преосмислим как могат да се формират материалите и как функционират", каза Ганг. "Материалният редизайн може да не е необходим; просто опаковането на съществуващи материали по нови начини може да подобри техните имоти. Потенциално нашата платформа може да бъде активираща технология" извън 3-D печат на производство "за контрол на материали с много по-малки мащаби и с по-голямо разнообразие на материали и проектирани композиции. Използвайки същия подход за образуване на 3-D решетка от желаните нано-обекти на различни материали, интегриращи тези, които не могат да се считат за безразлични.
Материали, предоставени от Националната лаборатория DOE/Brookhaven. Забележка: Съдържанието може да бъде редактирано за стил и дължина.
Вземете най -новите научни новини с безплатните бюлетини на ScienceDaily, актуализирани ежедневно и седмично. Или преглеждайте почасово актуализирани новини във вашия RSS четец:
Кажете ни какво мислите за ScienceDaily - приветстваме както положителни, така и отрицателни коментари. Имате ли проблеми с използването на сайта? Въпроси?
Време за публикация: януари-14-2020