Los científicos han desarrollado una plataforma para ensamblar componentes de materiales nanosizados, o "nanobjetos", de tipos muy diferentes, inorgánicos u orgánicos, en estructuras 3-D 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 informó en un artículo publicado hoy en Nature Materials, su nueva plataforma de nanofabricación programable para ADN se puede aplicar para organizar una variedad de materiales 3-D de las mismas formas prescritas a la nanoescala (mil millones de metros), donde emergen ópticos, químicos y otras propiedades únicas.
"Una de las principales razones por las cuales SA no es una técnica de elección para aplicaciones prácticas es que el mismo proceso de SA no se puede aplicar en una amplia gama de materiales para crear matrices idénticas de 3-D ordenadas de diferentes nanocomponentes", explicó el autor correspondiente Oleg, líder de la Oficina de Nanomateriales BIO y BIO en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), un departamento de Oficina de Oficina de Oficina de la Ciencia de los Estados Unidos (Doe) de la Ciencia de Brook. Laboratorio - y profesor de ingeniería química y de física aplicada y ciencia de los 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 nanobjetos inorgánicos u orgánicos, 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 que solo los nanobjetos con la secuencia de ADN complementaria pueden unirse. Estos vóxeles de material, la integración del marco de ADN y el nano-objeto, son los bloques de construcción a partir de los cuales se pueden hacer estructuras 3-D a macroescala. Los marcos se conectan entre sí, independientemente del tipo de nano-objeto que esté dentro (o no) de acuerdo con las secuencias complementarias con las que están codificadas en sus vértices. Dependiendo de su forma, los marcos tienen un número diferente de vértices y, por lo tanto, forman estructuras completamente diferentes. Cualquier nano-objeto alojado dentro de los cuadros adquiere esa estructura de marco específica.
Para demostrar su enfoque de ensamblaje, los científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (oro) y semiconductores (selenuro de cadmio) y una proteína bacteriana (estreptavidina) como los nanobjetos 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 de material mediante imágenes con microscopios electrónicos en la instalación de microscopía electrónica CFN y el Instituto Van Andel, que tiene un conjunto de instrumentos que operan a temperaturas criogénicas para muestras biológicas. Luego sondearon las estructuras de red 3-D en la dispersión de rayos X dura coherente y las líneas de haz de dispersión de materiales complejos de la fuente de luz de sincrotrón nacional (NSLS-II), otra instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Profesor de Ingeniería Química Sanat Kumar y su grupo realizaron un modelado computacional revelando que las estructuras de red observadas experimentalmente (basadas en los patrones de dispersión de rayos X) eran las más termodinámicamente estables que los vóxeles materiales podían formar.
"Estos vóxeles materiales nos permiten comenzar a usar ideas derivadas de átomos (y moléculas) y los cristales que forman, y portan este vasto conocimiento y base de datos a sistemas de interés en la nanoescala", explicó Kumar.
Los estudiantes de pandillas en Columbia luego demostraron cómo la plataforma de ensamblaje podría usarse para impulsar la organización de dos tipos diferentes de materiales con funciones químicas y ópticas. En un caso, ensamblaron dos enzimas, creando matrices 3-D con una alta densidad de empaquetado. Aunque las enzimas permanecieron químicamente sin cambios, mostraron aproximadamente un aumento de cuatro veces en la actividad enzimática. Estos "nanoreactores" podrían usarse para manipular las 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 hacer 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 de color debajo del límite de difracción (longitud de onda) de la luz; Esta propiedad podría permitir una mejora de resolución significativa en diversas tecnologías de visualización y comunicación óptica.
"Necesitamos repensar cómo se pueden formar los materiales y cómo funcionan", dijo 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 de impresión en 3-D para controlar materiales a escalas mucho más pequeñas y con una mayor variedad de materiales y composiciones diseñadas. Utilizando el mismo enfoque para formar los celos 3-D de los nano-objeto deseado de diferentes clases de materiales, integrar las que de otra manera serían incompatibles, que de otra manera serían incompatibles, que de otra manera, podrían tener una revolucionidad, que de otra manera, se consideran incompatibles.
Materiales proporcionados por el Laboratorio Nacional DOE/Brookhaven. Nota: El contenido puede editarse para estilo y longitud.
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Tiempo de publicación: enero-14-2020