Els científics han desenvolupat una plataforma per muntar components de materials de mida nanomètrica, o "nano-objectes", de tipus molt diferents, inorgànics o orgànics, en estructures tridimensionals 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 s'informa en un article publicat avui a Nature Materials, la seva nova plataforma de nanofabricació programable amb ADN es pot aplicar per organitzar una varietat de materials 3-D de les mateixes maneres prescrites a nanoescala (milmilionèsimes d'un metre), on òptica, química única. , i sorgeixen altres propietats.
"Una de les principals raons per les quals SA no és una tècnica d'elecció per a aplicacions pràctiques és que el mateix procés SA no es pot aplicar a una àmplia gamma de materials per crear matrius ordenades en 3D idèntiques a partir de diferents nanocomponents", va explicar l'autor corresponent Oleg Gang. , líder del grup de nanomaterials suaus i bio del Centre de Nanomaterials Funcionals (CFN), una instal·lació d'usuaris de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia (DOE) dels EUA al Laboratori Nacional de Brookhaven. -- i professor d'Enginyeria Química i de Física Aplicada i Ciència dels 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. Dins dels marcs hi ha "braços" d'ADN als quals només es poden unir nanoobjectes amb la seqüència d'ADN complementària. Aquests voxels materials -la integració del marc d'ADN i el nanoobjecte- són els blocs de construcció a partir dels quals es poden fer estructures 3D a macroescala. Els fotogrames es connecten entre si independentment de quin tipus de nanoobjecte hi ha dins (o no) segons les seqüències complementàries amb les quals estan codificats als seus vèrtexs. Segons la seva forma, els marcs tenen un nombre diferent de vèrtexs i, per tant, formen estructures completament diferents. Qualsevol nanoobjecte allotjat dins dels marcs pren aquesta estructura de marc específica.
Per demostrar el seu enfocament d'assemblatge, els científics van seleccionar nanopartícules metàl·liques (or) i semiconductores (selenur de cadmi) i una proteïna bacteriana (estreptavidina) com a nanoobjectes inorgànics i orgànics per col·locar dins dels marcs d'ADN. En primer lloc, van confirmar la integritat dels marcs d'ADN i la formació de voxels materials mitjançant la imatge amb microscopis electrònics a la CFN Electron Microscopy Facility i a l'Institut Van Andel, que té un conjunt d'instruments que funcionen a temperatures criogèniques per a mostres biològiques. A continuació, van investigar les estructures de gelosia 3D a les línies de llum de dispersió de raigs X durs coherents i de dispersió de materials complexos de la Font de llum nacional de sincrotró II (NSLS-II), una altra instal·lació d'usuaris de l'oficina científica del DOE al Brookhaven Lab. El professor d'enginyeria química de Columbia Engineering Bykhovsky Sanat Kumar i el seu grup van realitzar un modelatge computacional revelant que les estructures de gelosia observades experimentalment (basades en els patrons de dispersió de raigs X) eren les més estables termodinàmicament que podien formar els voxels del material.
"Aquests voxels materials ens permeten començar a utilitzar idees derivades dels àtoms (i molècules) i els cristalls que formen, i portar aquest vast coneixement i base de dades a sistemes d'interès a escala nanomètrica", va explicar Kumar.
Els estudiants de Gang a Columbia van demostrar llavors com es podria utilitzar la plataforma de muntatge per impulsar l'organització de dos tipus diferents de materials amb funcions químiques i òptiques. En un cas, van reunir dos enzims, creant matrius 3D amb una alta densitat d'empaquetament. Tot i que els enzims es van mantenir químicament sense canvis, van mostrar aproximadament un augment de quatre vegades en l'activitat enzimàtica. Aquests "nanoreactors" es podrien utilitzar per manipular reaccions en cascada i permetre la fabricació de materials químicament actius. Per a la demostració del material òptic, van barrejar dos colors diferents de punts quàntics: nanocristalls petits que s'utilitzen per fer pantalles de televisió amb una gran saturació de color i brillantor. Les imatges capturades amb un microscopi de fluorescència van mostrar que la xarxa formada mantenia la puresa del color per sota del límit de difracció (longitud d'ona) de la llum; aquesta propietat podria permetre una millora significativa de la resolució en diverses tecnologies de visualització i comunicació òptica.
"Hem de repensar com es poden formar els materials i com funcionen", va dir Gang. "El redisseny del material pot no ser necessari; simplement empaquetar els materials existents de noves maneres podria millorar les seves propietats. Potencialment, la nostra plataforma podria ser una tecnologia habilitadora "més enllà de la fabricació d'impressió en 3D" per controlar els materials a escales molt més petites i amb una major varietat de materials i Composicions dissenyades utilitzant el mateix enfocament per formar gelosies 3D a partir de nanoobjectes desitjats de diferents classes de materials, integrant aquells que d'altra manera es considerarien incompatibles. revolucionar la nanofabricació".
Materials proporcionats pel DOE/Brookhaven National Laboratory. Nota: el contingut es pot editar per estil i longitud.
Rep les últimes notícies de ciència amb els butlletins de correu electrònic gratuïts de ScienceDaily, actualitzats diàriament i setmanalment. O visualitzeu els canals de notícies actualitzats cada hora al vostre lector RSS:
Digueu-nos què en penseu de ScienceDaily: donem la benvinguda als comentaris positius i negatius. Teniu problemes per utilitzar el lloc? Preguntes?
Hora de publicació: 14-gen-2020