Naučnici su razvili platformu za sastavljanje komponenti materijala nano veličine, ili "nano-objekata", vrlo različitih tipova - neorganskih ili organskih - u željene 3-D strukture. Iako je samosastavljanje (SA) uspješno korišteno za organiziranje nanomaterijala nekoliko vrsta, proces je bio izuzetno specifičan za sistem, stvarajući različite strukture na osnovu svojstava materijala. Kao što je objavljeno u članku objavljenom danas u Nature Materials, njihova nova DNK-programabilna nanofabrikacijska platforma može se primijeniti za organiziranje raznih 3-D materijala na iste propisane načine na nanoskali (milijardinim dijelovima metra), gdje je jedinstvena optička, kemijska , a pojavljuju se i druga svojstva.
"Jedan od glavnih razloga zašto SA nije tehnika izbora za praktične primjene je taj što se isti SA proces ne može primijeniti na širok spektar materijala za stvaranje identičnih 3-D uređenih nizova od različitih nanokomponenti", objasnio je odgovarajući autor Oleg Gang. , vođa grupe za meke i bio nanomaterijale u Centru za funkcionalne nanomaterijale (CFN) -- Kancelarija za naučne korisnike američkog Ministarstva energetike (DOE) na adresi Brookhaven National Laboratory -- i profesor hemijskog inženjerstva i primijenjene fizike i nauke o materijalima na Columbia Engineeringu. "Ovdje smo odvojili SA proces od svojstava materijala tako što smo dizajnirali krute poliedarske DNK okvire koji mogu inkapsulirati različite neorganske ili organske nano-objekte, uključujući metale, poluvodiče, pa čak i proteine i enzime."
Naučnici su konstruisali sintetičke DNK okvire u obliku kocke, oktaedra i tetraedra. Unutar okvira su DNK "ruke" za koje se mogu vezati samo nano-objekti s komplementarnom sekvencom DNK. Ovi materijalni vokseli -- integracija DNK okvira i nano-objekta -- su građevni blokovi od kojih se mogu napraviti 3-D strukture makrorazmjera. Okviri se međusobno povezuju bez obzira na to kakva se vrsta nano-objekta nalazi unutra (ili ne) prema komplementarnim sekvencama kojima su kodirani na svojim vrhovima. Ovisno o svom obliku, okviri imaju različit broj vrhova i tako formiraju potpuno različite strukture. Svi nano-objekti smješteni unutar okvira preuzimaju tu specifičnu strukturu okvira.
Kako bi demonstrirali svoj pristup sastavljanju, znanstvenici su odabrali metalne (zlato) i poluvodičke (kadmijum selenid) nanočestice i bakterijski protein (streptavidin) kao neorganske i organske nano-objekte koji će biti smješteni unutar DNK okvira. Prvo, potvrdili su integritet DNK okvira i formiranje materijalnih voksela snimanjem pomoću elektronskih mikroskopa u CFN Electron Microscopy Facility i Van Andel institutu, koji ima skup instrumenata koji rade na kriogenim temperaturama za biološke uzorke. Zatim su ispitali 3-D rešetkaste strukture na snopovima koherentnog tvrdog raspršivanja rendgenskih zraka i raspršivanja složenih materijala Nacionalnog sinhrotronskog izvora svjetlosti II (NSLS-II) -- još jednog objekta DOE Ureda za nauku u Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Profesor kemijskog inženjerstva Sanat Kumar i njegova grupa izveli su računarsko modeliranje otkrivajući da su eksperimentalno promatrane strukture rešetke (bazirane na obrascima raspršenja rendgenskih zraka) bile termodinamički najstabilnije koje su materijalni vokseli mogli formirati.
„Ovi materijalni vokseli nam omogućavaju da počnemo da koristimo ideje izvedene iz atoma (i molekula) i kristala koje oni formiraju, i prenesemo ovo ogromno znanje i bazu podataka u sisteme od interesa na nanoskali“, objasnio je Kumar.
Gangovi studenti na Kolumbiji su zatim demonstrirali kako se platforma za sklapanje može koristiti za pokretanje organizacije dvije različite vrste materijala s kemijskim i optičkim funkcijama. U jednom slučaju, zajedno su sastavili dva enzima, stvarajući 3-D nizove sa velikom gustinom pakovanja. Iako su enzimi ostali hemijski nepromenjeni, pokazali su oko četiri puta povećanje enzimske aktivnosti. Ovi "nanoreaktori" bi se mogli koristiti za manipuliranje kaskadnim reakcijama i omogućavanje proizvodnje kemijski aktivnih materijala. Za demonstraciju optičkog materijala, pomiješali su dvije različite boje kvantnih tačaka - sićušnih nanokristala koji se koriste za pravljenje televizijskih ekrana s visokom zasićenošću boja i svjetlinom. Slike snimljene fluorescentnim mikroskopom pokazale su da je formirana rešetka održavala čistoću boje ispod granice difrakcije (talasne dužine) svjetlosti; ovo svojstvo bi moglo omogućiti značajno poboljšanje rezolucije u različitim tehnologijama prikaza i optičke komunikacije.
"Moramo ponovo razmisliti kako se materijali mogu formirati i kako funkcioniraju", rekao je Gang. "Redizajn materijala možda neće biti neophodan; jednostavno pakovanje postojećih materijala na nove načine moglo bi poboljšati njihova svojstva. Potencijalno, naša platforma bi mogla biti tehnologija koja omogućava 'izvan proizvodnje 3-D štampanja' za kontrolu materijala u mnogo manjim razmerama i sa većom raznovrsnošću materijala i dizajnirane kompozicije Koristeći isti pristup za formiranje 3-D rešetki od željenih nano-objekata različitih klasa materijala, integrišući one koji bi se inače smatrali nekompatibilnim. revolucionirati nanoproizvodnju."
Materijale obezbijedila DOE/Brookhaven National Laboratory. Napomena: Sadržaj se može uređivati za stil i dužinu.
Dobijte najnovije vijesti iz nauke uz besplatne biltene e-pošte ScienceDaily, koji se ažuriraju svakodnevno i sedmično. Ili pogledajte svaki sat ažurirane vijesti u vašem RSS čitaču:
Recite nam šta mislite o ScienceDaily - pozdravljamo i pozitivne i negativne komentare. Imate li problema s korištenjem stranice? Pitanja?
Vrijeme objave: Jan-14-2020