Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια πλατφόρμα για τη συναρμολόγηση υλικών νανο-μεγεθών συστατικών, ή «νανο-αντικειμένων», πολύ διαφορετικών τύπων -- ανόργανων ή οργανικών -- σε επιθυμητές τρισδιάστατες δομές. Αν και η αυτοσυναρμολόγηση (SA) έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την οργάνωση νανοϋλικών πολλών ειδών, η διαδικασία ήταν εξαιρετικά συγκεκριμένη για το σύστημα, δημιουργώντας διαφορετικές δομές με βάση τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών. Όπως αναφέρεται σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature Materials, η νέα τους πλατφόρμα νανοκατασκευής με δυνατότητα προγραμματισμού DNA μπορεί να εφαρμοστεί για να οργανώσει μια ποικιλία υλικών 3-D με τους ίδιους προβλεπόμενους τρόπους στη νανοκλίμακα (δισεκατομμυριοστά του μέτρου), όπου μοναδικά οπτικά, χημικά , και προκύπτουν άλλες ιδιότητες.
"Ένας από τους σημαντικότερους λόγους για τους οποίους η SA δεν αποτελεί τεχνική επιλογής για πρακτικές εφαρμογές είναι ότι η ίδια διαδικασία SA δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα υλικών για τη δημιουργία πανομοιότυπων 3-D διατεταγμένων συστοιχιών από διαφορετικά νανοστοιχεία", εξήγησε ο αντίστοιχος συγγραφέας Oleg Gang. , επικεφαλής της Ομάδας Soft and Bio Nanomaterials στο Κέντρο Λειτουργικών Νανοϋλικών (CFN) -- μια εγκατάσταση χρηστών του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven -- και καθηγητής Χημικής Μηχανικής και Εφαρμοσμένης Φυσικής και Επιστήμη Υλικών στο Columbia Engineering. «Εδώ, αποσυνδέσαμε τη διαδικασία SA από τις ιδιότητες του υλικού σχεδιάζοντας άκαμπτα πολυεδρικά πλαίσια DNA που μπορούν να ενθυλακώσουν διάφορα ανόργανα ή οργανικά νανο-αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων, ημιαγωγών, ακόμη και πρωτεϊνών και ενζύμων».
Οι επιστήμονες κατασκεύασαν συνθετικά πλαίσια DNA σε σχήμα κύβου, οκταέδρου και τετραέδρου. Μέσα στα πλαίσια υπάρχουν «βραχίονες» DNA στους οποίους μπορούν να συνδεθούν μόνο νανο-αντικείμενα με τη συμπληρωματική αλληλουχία DNA. Αυτά τα voxels υλικού -- η ενσωμάτωση του πλαισίου DNA και του νανο-αντικειμένου -- είναι τα δομικά στοιχεία από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν τρισδιάστατες δομές μακροκλίμακας. Τα πλαίσια συνδέονται μεταξύ τους ανεξάρτητα από το είδος του νανο-αντικειμένου είναι μέσα (ή όχι) σύμφωνα με τις συμπληρωματικές ακολουθίες με τις οποίες κωδικοποιούνται στις κορυφές τους. Ανάλογα με το σχήμα τους, τα πλαίσια έχουν διαφορετικό αριθμό κορυφών και έτσι σχηματίζουν εντελώς διαφορετικές δομές. Οποιαδήποτε νανο-αντικείμενα φιλοξενούνται μέσα στα πλαίσια λαμβάνουν τη συγκεκριμένη δομή πλαισίου.
Για να δείξουν την προσέγγιση συναρμολόγησης τους, οι επιστήμονες επέλεξαν μεταλλικά (χρυσό) και ημιαγώγιμα (σεληνιούχο κάδμιο) νανοσωματίδια και μια βακτηριακή πρωτεΐνη (στρεπταβιδίνη) ως τα ανόργανα και οργανικά νανο-αντικείμενα που θα τοποθετηθούν μέσα στα πλαίσια του DNA. Πρώτον, επιβεβαίωσαν την ακεραιότητα των πλαισίων DNA και το σχηματισμό voxel υλικού με απεικόνιση με ηλεκτρονικά μικροσκόπια στο CFN Electron Microscopy Facility και στο Ινστιτούτο Van Andel, το οποίο διαθέτει μια σειρά οργάνων που λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες για βιολογικά δείγματα. Στη συνέχεια διερεύνησαν τις τρισδιάστατες δομές πλέγματος στις γραμμές δέσμης συνεκτικής σκέδασης σκληρών ακτίνων Χ και σύνθετων υλικών της Εθνικής Πηγής Φωτός ΙΙ Synchrotron (NSLS-II) -- μια άλλη εγκατάσταση χρήστη DOE Office of Science στο Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Ο καθηγητής Χημικής Μηχανικής Sanat Kumar και η ομάδα του πραγματοποίησαν υπολογιστική μοντελοποίηση αποκαλύπτοντας ότι οι πειραματικά παρατηρούμενες δομές πλέγματος (με βάση τα μοτίβα σκέδασης ακτίνων Χ) ήταν οι πιο θερμοδυναμικά σταθερές που μπορούσαν να σχηματίσουν τα voxels του υλικού.
«Αυτά τα υλικά voxel μας επιτρέπουν να αρχίσουμε να χρησιμοποιούμε ιδέες που προέρχονται από άτομα (και μόρια) και τους κρυστάλλους που σχηματίζουν, και να μεταφέρουμε αυτή την τεράστια γνώση και βάση δεδομένων σε συστήματα που μας ενδιαφέρουν σε νανοκλίμακα», εξήγησε ο Kumar.
Οι μαθητές του Gang στην Columbia έδειξαν στη συνέχεια πώς η πλατφόρμα συναρμολόγησης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να οδηγήσει την οργάνωση δύο διαφορετικών ειδών υλικών με χημικές και οπτικές λειτουργίες. Σε μια περίπτωση, συνδύασαν δύο ένζυμα, δημιουργώντας τρισδιάστατες συστοιχίες με υψηλή πυκνότητα συσσώρευσης. Αν και τα ένζυμα παρέμειναν χημικά αμετάβλητα, έδειξαν περίπου τετραπλάσια αύξηση στην ενζυματική δραστηριότητα. Αυτοί οι «νανοαντιδραστήρες» θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να χειριστούν καταρράκτες αντιδράσεις και να επιτρέψουν την κατασκευή χημικά ενεργών υλικών. Για την επίδειξη οπτικού υλικού, συνδύασαν δύο διαφορετικά χρώματα κβαντικών κουκκίδων -- μικροσκοπικούς νανοκρυστάλλους που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τηλεοπτικών οθονών με υψηλό κορεσμό χρωμάτων και φωτεινότητα. Εικόνες που καταγράφηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού έδειξαν ότι το σχηματιζόμενο πλέγμα διατήρησε την καθαρότητα χρώματος κάτω από το όριο περίθλασης (μήκος κύματος) του φωτός. Αυτή η ιδιότητα θα μπορούσε να επιτρέψει σημαντική βελτίωση της ανάλυσης σε διάφορες τεχνολογίες οθόνης και οπτικών επικοινωνιών.
«Πρέπει να ξανασκεφτούμε πώς μπορούν να σχηματιστούν υλικά και πώς λειτουργούν», είπε ο Gang. "Μπορεί να μην είναι απαραίτητος ο επανασχεδιασμός υλικού. Η απλή συσκευασία των υπαρχόντων υλικών με νέους τρόπους θα μπορούσε να βελτιώσει τις ιδιότητές τους. Δυνητικά, η πλατφόρμα μας θα μπορούσε να είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει τον έλεγχο των υλικών σε πολύ μικρότερες κλίμακες και με μεγαλύτερη ποικιλία υλικών και Η χρήση της ίδιας προσέγγισης για το σχηματισμό τρισδιάστατων δικτυωμάτων από επιθυμητά νανο-αντικείμενα διαφορετικών κατηγοριών υλικών, ενσωματώνοντας αυτά που διαφορετικά θα θεωρούνταν ασύμβατα, θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στη νανοβιομηχανία.
Τα υλικά παρέχονται από το DOE/Brookhaven National Laboratory. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να επεξεργαστεί για στυλ και μήκος.
Λάβετε τα τελευταία επιστημονικά νέα με τα δωρεάν ενημερωτικά δελτία ηλεκτρονικού ταχυδρομείου του ScienceDaily, που ενημερώνονται καθημερινά και εβδομαδιαία. Εναλλακτικά, δείτε τις ωριαίες ροές ειδήσεων στο πρόγραμμα ανάγνωσης RSS:
Πείτε μας τη γνώμη σας για το ScienceDaily -- καλωσορίζουμε τόσο θετικά όσο και αρνητικά σχόλια. Έχετε προβλήματα με τη χρήση του ιστότοπου; Ερωτήσεις;
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-14-2020