Los científicos han desarrollado una plataforma para ensamblar componentes materiales de tamaño nanométrico, o "nanoobjetos", de tipos muy diferentes (inorgánicos u orgánicos) en estructuras tridimensionales deseadas. Aunque el autoensamblaje (SA) se ha utilizado con éxito para organizar nanomateriales de varios tipos, el proceso ha sido extremadamente específico del sistema, generando diferentes estructuras basadas en las propiedades intrínsecas de los materiales. Como se informa en un artículo publicado hoy en Nature Materials, su nueva plataforma de nanofabricación programable por ADN se puede aplicar para organizar una variedad de materiales tridimensionales de las mismas formas prescritas en la nanoescala (milmillonésimas de metro), donde las características ópticas y químicas únicas , y surgen otras propiedades.
"Una de las principales razones por las que SA no es una técnica de elección para aplicaciones prácticas es que el mismo proceso SA no se puede aplicar en una amplia gama de materiales para crear matrices ordenadas tridimensionales idénticas a partir de diferentes nanocomponentes", explicó el autor correspondiente Oleg Gang. , líder del Grupo de Nanomateriales Blandos y Bio en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y profesor de Ingeniería Química y de Ciencias Aplicadas. Física y Ciencia de Materiales en Columbia Engineering. "Aquí, desacoplamos el proceso SA de las propiedades del material mediante el diseño de marcos de ADN poliédricos rígidos que pueden encapsular varios nanoobjetos orgánicos e inorgánicos, incluidos metales, semiconductores e incluso proteínas y enzimas".
Los científicos diseñaron marcos de ADN sintético en forma de cubo, octaedro y tetraedro. Dentro de los marcos hay "brazos" de ADN a los que sólo se pueden unir nanoobjetos con la secuencia de ADN complementaria. Estos vóxeles materiales (la integración de la estructura del ADN y el nanoobjeto) son los componentes básicos a partir de los cuales se pueden crear estructuras tridimensionales a macroescala. Los fotogramas se conectan entre sí independientemente de qué tipo de nanoobjeto se encuentre (o no) en su interior según las secuencias complementarias con las que están codificados en sus vértices. Dependiendo de su forma, los marcos tienen un número diferente de vértices y, por lo tanto, forman estructuras completamente diferentes. Cualquier nanoobjeto alojado dentro de los marcos adopta esa estructura de marco específica.
Para demostrar su método de ensamblaje, los científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (oro) y semiconductoras (seleniuro de cadmio) y una proteína bacteriana (estreptavidina) como nanoobjetos inorgánicos y orgánicos que se colocarán dentro de los marcos de ADN. Primero, confirmaron la integridad de los marcos de ADN y la formación de vóxeles materiales mediante imágenes con microscopios electrónicos en el Centro de Microscopía Electrónica CFN y el Instituto Van Andel, que cuenta con un conjunto de instrumentos que operan a temperaturas criogénicas para muestras biológicas. Luego sondearon las estructuras reticulares tridimensionales en las líneas de luz de Dispersión Coherente de Rayos X Duros y Dispersión de Materiales Complejos de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Brookhaven. Sanat Kumar, profesor Bykhovsky de Ingeniería Química de Columbia Engineering, y su grupo realizaron modelos computacionales que revelaron que las estructuras reticulares observadas experimentalmente (basadas en los patrones de dispersión de rayos X) eran las más termodinámicamente estables que los vóxeles de material podían formar.
"Estos vóxeles materiales nos permiten comenzar a utilizar ideas derivadas de átomos (y moléculas) y los cristales que forman, y trasladar este vasto conocimiento y base de datos a sistemas de interés a nanoescala", explicó Kumar.
Luego, los estudiantes de Gang en Columbia demostraron cómo se podría utilizar la plataforma de ensamblaje para impulsar la organización de dos tipos diferentes de materiales con funciones químicas y ópticas. En un caso, ensamblaron dos enzimas, creando matrices tridimensionales con una alta densidad de empaquetamiento. Aunque las enzimas permanecieron químicamente sin cambios, mostraron un aumento de aproximadamente cuatro veces en su actividad enzimática. Estos "nanoreactores" podrían usarse para manipular reacciones en cascada y permitir la fabricación de materiales químicamente activos. Para la demostración del material óptico, mezclaron dos colores diferentes de puntos cuánticos: pequeños nanocristales que se utilizan para fabricar pantallas de televisión con alta saturación de color y brillo. Las imágenes capturadas con un microscopio de fluorescencia mostraron que la red formada mantenía la pureza del color por debajo del límite de difracción (longitud de onda) de la luz; esta propiedad podría permitir una mejora significativa de la resolución en diversas tecnologías de visualización y comunicación óptica.
"Necesitamos repensar cómo se pueden formar los materiales y cómo funcionan", afirmó Gang. "El rediseño de materiales puede no ser necesario; simplemente empaquetar los materiales existentes de nuevas maneras podría mejorar sus propiedades. Potencialmente, nuestra plataforma podría ser una tecnología habilitadora 'más allá de la fabricación por impresión 3D' para controlar materiales a escalas mucho más pequeñas y con mayor variedad de materiales y "Composiciones diseñadas utilizando el mismo enfoque para formar redes tridimensionales a partir de nanoobjetos deseados de diferentes clases de materiales, integrando aquellos que de otro modo se considerarían incompatibles, podría revolucionar la nanofabricación".
Materiales proporcionados por DOE/Laboratorio Nacional de Brookhaven. Nota: El contenido puede editarse por estilo y extensión.
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Hora de publicación: 14-ene-2020