Els científics han desenvolupat una plataforma per muntar components de materials nanositzats, o "nanoobjectes", de tipus molt diferents (inorgànics o orgànics) en estructures 3-D desitjades. Tot i que l’autoassemblatge (SA) s’ha utilitzat amb èxit per organitzar nanomaterials de diversos tipus, el procés ha estat extremadament específic del sistema, generant diferents estructures basades en les propietats intrínseques dels materials. Tal com es va informar en un article publicat avui a Nature Materials, la seva nova plataforma de nanofabricació programable per ADN es pot aplicar per organitzar una varietat de materials en 3-D de les mateixes maneres prescrites a la nanoescala (mil·lèsimes de metre), on sorgeixen únics propietats òptiques, químiques i altres propietats.
"Una de les principals raons per les quals la SA no és una tècnica d'elecció per a aplicacions pràctiques és que el mateix procés SA no es pot aplicar a través d'una àmplia gamma de materials per crear matrius ordenades en 3-D de diferents diferents nanocomponents", va explicar l'autor corresponent Oleg Gang, líder del grup de nanomaterials suaus i bio Nanomaterials al centre de nanomaterials funcionals (CFN)-un departament d'energia (DOE) de l'Oficina de Ciències de la Ciències de la Ciències de la Ciències de la Ciències de la Ciències) Laboratori Nacional de Brookhaven - i professor d'enginyeria química i de física aplicada i ciències de materials a Columbia Engineering. "Aquí, vam desacoblar el procés SA de les propietats del material dissenyant marcs d'ADN polièdrics rígids que poden encapsular diversos nanoobjectes inorgànics o orgànics, inclosos metalls, semiconductors i fins i tot proteïnes i enzims".
Els científics van dissenyar marcs d’ADN sintètics en forma de cub, octaedre i tetraedre. A l’interior dels fotogrames hi ha “braços” d’ADN als quals només es poden unir nanoobjectes amb la seqüència complementària d’ADN. Aquests Voxels materials, la integració del marc d’ADN i el nano-objecte, són els blocs de construcció dels quals es poden fer estructures 3-D a macroscal. Els fotogrames es connecten entre ells independentment de quin tipus de nano-objecte es troba dins (o no) segons les seqüències complementàries amb les quals es codifiquen als seus vèrtexs. Segons la seva forma, els fotogrames tenen un nombre diferent de vèrtexs i, per tant, formen estructures completament diferents. Qualsevol objecte nano allotjat dins dels fotogrames adopta aquesta estructura de fotograma específica.
Per demostrar el seu enfocament de muntatge, els científics van seleccionar nanopartícules metàl·liques (or) i semiconductors (selenur de cadmi) i una proteïna bacteriana (estreptavidina) com a objectes inorgànics i orgànics que es col·loquen dins dels marcs de l'ADN. En primer lloc, van confirmar la integritat dels marcs d’ADN i la formació de voxels de material mitjançant la imatge amb microscopis electrònics a la instal·lació de microscòpia electrònica CFN i l’Institut Van Andel, que compta amb un conjunt d’instruments que operen a temperatures criològiques per a mostres biològiques. A continuació, van examinar les estructures de gelosia 3-D a la dispersió coherent de raigs X i materials complexos de dispersió de les línies de feixos de la llum nacional del sincrotró Source II (NSLS-II): una altra oficina de ciències del Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor d'Enginyeria Química Sanat Kumar i el seu grup van realitzar un model computacional que revelava que les estructures de gelosia observades experimentalment (basades en els patrons de dispersió de raigs X) eren les més estables termodinàmicament que els voxels materials podrien formar.
"Aquests voxels materials ens permeten començar a utilitzar idees derivades d'àtoms (i molècules) i els cristalls que formen, i porten aquesta àmplia coneixement i base de dades a sistemes d'interès a la nanoescala", va explicar Kumar.
Els estudiants de Gang a Columbia van demostrar com es podia utilitzar la plataforma de muntatge per impulsar l’organització de dos tipus de materials diferents amb funcions químiques i òptiques. En un cas, van co-muntar dos enzims, creant matrius en 3-D amb una densitat d’embalatge elevada. Tot i que els enzims es van mantenir químicament inalterats, van mostrar un augment de quatre vegades en l’activitat enzimàtica. Aquests "nanoreactors" es podrien utilitzar per manipular les reaccions en cascada i permetre la fabricació de materials actius químicament. Per a la demostració de material òptic, van barrejar dos colors diferents de punts quàntics: nanocristalls minúsculs que s’utilitzen per fer pantalles de televisió amb saturació i brillantor de color. Les imatges capturades amb un microscopi de fluorescència van demostrar que la gelosia formada mantenia la puresa del color per sota del límit de difracció (longitud d’ona) de la llum; Aquesta propietat podria permetre una millora important de la resolució en diverses tecnologies de comunicació i de comunicació òptica.
"Hem de repensar com es poden formar els materials i com funcionen", va dir Gang. "El redisseny de material pot no ser necessari; simplement empaquetar materials existents de noves maneres podria millorar les seves propietats. Potencialment, la nostra plataforma podria ser una tecnologia habilitant" més enllà de la fabricació d'impressió 3-D "per controlar materials a escales molt més petites i amb una varietat de materials més gran i dissenyada. Nanomanufacturing ".
Materials proporcionats pel Laboratori Nacional de Doe/Brookhaven. Nota: es pot editar el contingut per a estil i longitud.
Obteniu les darreres novetats científiques amb butlletins de correu electrònic gratuïts de ScienceDaily, actualitzats diàriament i setmanals. O visualitzeu les notícies actualitzades per hora al vostre lector RSS:
Expliqueu -nos què en penseu de ScienceDaily: donem la benvinguda a comentaris positius i negatius. Teniu problemes per utilitzar el lloc? Preguntes?
Posat Post: 14-2020 de gener