Vědci vyvinuli platformu pro sestavení nanorozměrných materiálových komponent nebo "nanoobjektů" velmi odlišných typů - anorganických nebo organických - do požadovaných 3-D struktur. Ačkoli samoskládání (SA) bylo úspěšně použito k organizaci nanomateriálů několika druhů, tento proces byl extrémně systémově specifický a generoval různé struktury založené na vnitřních vlastnostech materiálů. Jak bylo uvedeno v článku publikovaném dnes v Nature Materials, jejich nová platforma pro nanofabrikaci s programovatelnou DNA může být použita k uspořádání různých 3D materiálů stejnými předepsanými způsoby v nanoměřítku (miliardtiny metru), kde jsou jedinečné optické, chemické a objevují se další vlastnosti.
„Jedním z hlavních důvodů, proč SA není technika volby pro praktické aplikace, je to, že stejný proces SA nemůže být aplikován na širokou škálu materiálů k vytvoření identických 3D uspořádaných polí z různých nanokomponent,“ vysvětlil odpovídající autor Oleg Gang. , vedoucí skupiny měkkých a bio nanomateriálů v Centru pro funkční nanomateriály (CFN) – uživatelské zařízení Úřadu pro vědu amerického ministerstva energetiky (DOE) v Brookhaven National Laboratory – a profesor Chemické inženýrství a aplikovaná fyzika a věda o materiálech na Columbia Engineering. "Zde jsme oddělili proces SA od materiálových vlastností tím, že jsme navrhli pevné polyhedrální rámce DNA, které mohou zapouzdřit různé anorganické nebo organické nanoobjekty, včetně kovů, polovodičů a dokonce i proteinů a enzymů."
Vědci zkonstruovali syntetické rámce DNA ve tvaru krychle, osmistěnu a čtyřstěnu. Uvnitř rámců jsou „ramena“ DNA, na která se mohou vázat pouze nanoobjekty s komplementární sekvencí DNA. Tyto materiálové voxely – integrace rámce DNA a nanoobjektu – jsou stavebními kameny, ze kterých lze vytvářet 3D struktury v makroměřítku. Rámce se navzájem spojují bez ohledu na to, jaký druh nanoobjektu je uvnitř (nebo není) podle komplementárních sekvencí, kterými jsou zakódovány ve svých vrcholech. Rámy mají v závislosti na svém tvaru různý počet vrcholů a tvoří tak zcela odlišné struktury. Jakékoli nanoobjekty hostované uvnitř rámců převezmou tuto specifickou rámovou strukturu.
Aby demonstrovali svůj montážní přístup, vědci vybrali kovové (zlato) a polovodivé (selenid kadmia) nanočástice a bakteriální protein (streptavidin) jako anorganické a organické nanoobjekty, které mají být umístěny uvnitř rámců DNA. Nejprve potvrdili integritu rámců DNA a tvorbu materiálových voxelů zobrazováním pomocí elektronových mikroskopů v zařízení CFN Electron Microscopy Facility a Van Andel Institute, který má sadu nástrojů, které pracují při kryogenních teplotách pro biologické vzorky. Poté prozkoumali 3D mřížkové struktury na svazcích koherentního pevného rentgenového rozptylu a rozptylu komplexních materiálů národního synchrotronového světelného zdroje II (NSLS-II) – dalšího uživatelského zařízení DOE Office of Science v Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Profesor chemického inženýrství Sanat Kumar a jeho skupina provedli výpočetní modelování, které odhalilo, že experimentálně pozorované mřížkové struktury (založené na vzorcích rozptylu rentgenového záření) byly termodynamicky nejstabilnější, jaké mohly materiálové voxely vytvořit.
"Tyto materiální voxely nám umožňují začít používat myšlenky odvozené z atomů (a molekul) a krystalů, které tvoří, a přenést tyto rozsáhlé znalosti a databáze do systémů, které nás zajímají v nanoměřítku," vysvětlil Kumar.
Studenti Gangu z Columbie pak předvedli, jak lze montážní platformu použít k řízení organizace dvou různých druhů materiálů s chemickými a optickými funkcemi. V jednom případě společně sestavili dva enzymy a vytvořili 3-D pole s vysokou hustotou balení. Přestože enzymy zůstaly chemicky nezměněny, vykazovaly asi čtyřnásobné zvýšení enzymatické aktivity. Tyto "nanoreaktory" by mohly být použity k manipulaci kaskádových reakcí a umožnění výroby chemicky aktivních materiálů. Pro demonstraci optického materiálu smíchali dvě různé barvy kvantových teček - drobné nanokrystaly, které se používají k výrobě televizních obrazovek s vysokou sytostí barev a jasem. Snímky zachycené fluorescenčním mikroskopem ukázaly, že vytvořená mřížka si udržela čistotu barev pod limitem difrakce (vlnová délka) světla; tato vlastnost by mohla umožnit výrazné zlepšení rozlišení v různých zobrazovacích a optických komunikačních technologiích.
"Musíme přehodnotit, jak lze materiály formovat a jak fungují," řekl Gang. "Přepracování materiálů nemusí být nutné; pouhé zabalení stávajících materiálů novými způsoby by mohlo zlepšit jejich vlastnosti. Potenciálně by naše platforma mohla být technologií umožňující 'mimo výrobu 3D tisku' pro kontrolu materiálů v mnohem menších měřítcích a s větší rozmanitostí materiálů a Navrhované kompozice využívající stejný přístup k vytváření 3D mřížek z požadovaných nanoobjektů různých tříd materiálů, integrující ty, které by jinak byly považovány za nekompatibilní, by mohlo způsobit revoluci ve výrobě nano.
Materiály poskytnuté DOE/Brookhaven National Laboratory. Poznámka: Obsah lze upravit z hlediska stylu a délky.
Získejte nejnovější vědecké zprávy pomocí bezplatných e-mailových zpravodajů ScienceDaily, které jsou aktualizovány denně a týdně. Nebo si prohlédněte každou hodinu aktualizované zpravodajství ve své čtečce RSS:
Řekněte nám, co si myslíte o ScienceDaily – vítáme pozitivní i negativní komentáře. Máte nějaké problémy s používáním webu? Otázky?
Čas odeslání: 14. ledna 2020