Wissenschaftler haben eine Plattform für die Zusammenstellung nanositarischer Materialkomponenten oder "Nano-Objekte" von sehr unterschiedlichen Arten-anorganischen oder organischen-in gewünschte 3-D-Strukturen entwickelt. Obwohl die Selbstorganisation (SA) erfolgreich zur Organisation von Nanomaterialien verschiedener Art verwendet wurde, war der Prozess extrem systemspezifisch und erzeugt unterschiedliche Strukturen, die auf den intrinsischen Eigenschaften der Materialien basieren. Wie in einem Papier berichtet, das heute in Naturmaterialien veröffentlicht wurde, kann ihre neue DNA-programmierbare Nanofabrizierungsplattform angewendet werden, um eine Vielzahl von 3-D-Materialien auf die gleiche vorgeschriebene Weise im Nanoskala (Milliardenstel eines Messgeräts) zu organisieren, in denen einzigartige optische, chemische und andere Eigenschaften auftreten.
"Einer der Hauptgründe, warum SA keine Technik der Wahl für praktische Anwendungen ist, ist, dass derselbe SA-Prozess nicht über ein breites Material ausgewählt werden kann, um identische 3D-geordnete Arrays aus verschiedenen Nanokomponenten zu erstellen" Nationales Labor - und Professor für Chemieingenieurwesen und angewandte Physik- und Materialwissenschaft bei Columbia Engineering. "Hier haben wir das SA-Prozess aus den Materialeigenschaften entkoppelt, indem wir starre polyedrische DNA-Rahmen entworfen haben, die verschiedene anorganische oder organische Nanoobjekte, einschließlich Metalle, Halbleiter sowie sogar Proteine und Enzyme, einkapseln können."
Die Wissenschaftler konstruierten synthetische DNA -Rahmen in Form eines Würfels, Oktaeder und Tetraeder. In den Frames befinden sich DNA-Arme, an die nur Nano-Objekte mit der komplementären DNA-Sequenz binden können. Diese materiellen Voxel-die Integration des DNA-Rahmens und des Nano-Objekts-sind die Bausteine, aus denen makroskalige 3-D-Strukturen hergestellt werden können. Die Frames verbinden sich miteinander, unabhängig davon, welche Art von Nano-Objekt entsprechend den komplementären Sequenzen, mit denen sie an ihren Eckpunkten codiert sind, in (oder nicht) befindet. Abhängig von ihrer Form haben Rahmen eine andere Anzahl von Eckpunkten und bilden somit völlig unterschiedliche Strukturen. Alle in den Frames gehosteten Nano-Objekte nehmen diese spezifische Rahmenstruktur an.
Um ihren Assemblierungsansatz zu demonstrieren, wählten die Wissenschaftler metallische (Gold) und Halbleiter (Cadmium-Selenid) -Nanopartikel und ein bakterielles Protein (Streptavidin) als anorganische und organische Nano-Objekte aus den DNA-Rahmen aus. Zunächst bestätigten sie die Integrität der DNA -Frames und die Bildung von Materialvoxeln, indem sie sich mit Elektronenmikroskopen in der CFN -Elektronenmikroskopie und des Van Andel Institute mit einer Reihe von Instrumenten mit kryogenen Temperaturen für biologische Proben auswirken. Anschließend untersuchten sie die 3-D-Gitterstrukturen an den kohärenten Hard-Röntgenstreuung und komplexen Materialstreuungsstreusen der Nationalen Synchrotron-Lichtquelle II (NSLS-II)-ein weiteres DOE-Büro der Wissenschaftsbenutzeranlage im Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor für Chemieingenieurwesen, Sanat Kumar, und seine Gruppe führten eine Computermodellierung durch, die aufzeigten, dass die experimentell beobachteten Gitterstrukturen (basierend auf den Röntgenstreumustern) die thermodynamisch stabilsten waren, die die Materialvoxel bilden konnten.
"Diese materiellen Voxel ermöglichen es uns, Ideen zu verwenden, die aus Atomen (und Molekülen) und den Kristallen, die sie bilden, abgeleitet werden, und diese umfangreiche Kenntnisse und Datenbank in Systeme von Interesse am Nanoskala portieren", erklärte Kumar.
Die Studenten der Gang in Columbia zeigten dann, wie die Montageplattform verwendet werden könnte, um zwei verschiedene Arten von Materialien mit chemischen und optischen Funktionen zu fördern. In einem Fall haben sie zwei Enzyme zusammengefügt, wodurch 3-D-Arrays mit einer hohen Packdichte geschaffen wurden. Obwohl die Enzyme chemisch unverändert blieben, zeigten sie einen vierfachen Anstieg der enzymatischen Aktivität. Diese "Nanoreaktoren" könnten verwendet werden, um Kaskadenreaktionen zu manipulieren und die Herstellung chemisch aktiver Materialien zu ermöglichen. Für die Demonstration des optischen Materials mischten sie zwei verschiedene Farben von Quantenpunkten - winzige Nanokristalle, die verwendet werden, um Fernsehanzeigen mit hoher Farbsättigung und Helligkeit zu machen. Bilder, die mit einem Fluoreszenzmikroskop aufgenommen wurden, zeigten, dass das gebildete Gitter die Farbreinheit unterhalb der Beugungsgrenze (Wellenlänge) des Lichts beibehielt; Diese Eigenschaft könnte eine erhebliche Verbesserung der Auflösung in verschiedenen Anzeigen- und optischen Kommunikationstechnologien ermöglichen.
"Wir müssen überdenken, wie Materialien gebildet werden können und wie sie funktionieren", sagte Gang. "Materielles Redesign ist möglicherweise nicht erforderlich. Einfach vorhandene Materialien auf neue Weise zu verpacken, könnte ihre Eigenschaften verbessern. Möglicherweise könnte unsere Plattform eine technische Technologie sein, die über die 3D-Druckherstellung hinausgeht, um Materialien auf viel kleineren Maßstäben und mit größerer materieller Vielfalt zu kontrollieren und zusammenzusetzen. Mit demselben Ansatz, um 3-D-Gitter zu bilden.
Materialien vom DOE/Brookhaven National Laboratory. Hinweis: Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.
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Postzeit: Jan-14-2020