Teadlased on välja töötanud platvormi väga erinevat tüüpi – anorgaaniliste või orgaaniliste – nanosuuruses materjalikomponentide ehk "nanoobjektide" kokkupanemiseks soovitud 3-D struktuuridesse. Kuigi isekoostumist (SA) on edukalt kasutatud mitmesuguste nanomaterjalide organiseerimiseks, on protsess olnud äärmiselt süsteemispetsiifiline, tekitades materjalide olemuslikel omadustel põhinevaid erinevaid struktuure. Nagu teatati täna ajakirjas Nature Materials avaldatud artiklis, saab nende uut DNA-ga programmeeritavat nanotootmisplatvormi rakendada mitmesuguste 3D-materjalide korraldamiseks nanomõõtmetes (miljardikud meetrit) samadel ette nähtud viisidel, kus on ainulaadsed optilised ja keemilised omadused. ja ilmnevad muud omadused.
"Üks peamisi põhjusi, miks SA ei ole praktiliste rakenduste jaoks valitud tehnika, on see, et sama SA-protsessi ei saa rakendada paljude materjalide jaoks, et luua erinevatest nanokomponentidest identseid 3-D järjestatud massiive," selgitas vastav autor Oleg Gang. , pehmete ja bionanomaterjalide rühma juht Funktsionaalsete nanomaterjalide keskuses (CFN) – USA energeetikaministeeriumi (DOE) teadusbüroo Brookhaveni riiklikus laboris. -- ja Columbia Engineeringi keemiatehnika ning rakendusfüüsika ja materjaliteaduse professor. "Siin lahutasime SA protsessi materjali omadustest, kavandades jäigad polüeedrilised DNA raamid, mis võivad kapseldada mitmesuguseid anorgaanilisi või orgaanilisi nanoobjekte, sealhulgas metalle, pooljuhte ning isegi valke ja ensüüme."
Teadlased konstrueerisid sünteetilised DNA raamid kuubi, oktaeedri ja tetraeedri kujul. Raamide sees on DNA "käed", millega saavad seonduda ainult komplementaarse DNA järjestusega nanoobjektid. Need materiaalsed vokslid - DNA raami ja nanoobjekti integreerimine - on ehitusplokid, millest saab teha makromõõtmelisi 3-D struktuure. Kaadrid ühenduvad üksteisega sõltumata sellest, milline nanoobjekt on sees (või mitte), vastavalt komplementaarsetele järjestustele, millega nad on nende tippudes kodeeritud. Sõltuvalt kujust on raamidel erinev arv tippe ja seega moodustavad nad täiesti erinevaid struktuure. Kõik raami sees asuvad nanoobjektid võtavad selle konkreetse raami struktuuri.
Oma kokkupaneku lähenemisviisi demonstreerimiseks valisid teadlased DNA raamidesse paigutatavateks anorgaanilisteks ja orgaanilisteks nanoobjektideks metallilised (kuld) ja pooljuhtivad (kaadmiumseleniid) nanoosakesed ning bakterivalgu (streptavidiin). Esiteks kinnitasid nad DNA raamide terviklikkust ja materjali vokslite moodustumist, pildistades elektronmikroskoopidega CFN elektronmikroskoopia rajatises ja Van Andeli instituudis, millel on bioloogiliste proovide jaoks krüogeensetel temperatuuridel töötavate instrumentide komplekt. Seejärel uurisid nad 3-D võrestruktuure riikliku sünkrotronvalgusallika II (NSLS-II) koherentse kõva röntgenikiirguse hajumise ja komplekssete materjalide hajumise kiirtes, mis on teine Brookhaveni labori DOE Teadusbüroo kasutajakeskus. Columbia Engineering Bykhovsky keemiatehnoloogia professor Sanat Kumar ja tema rühm viisid läbi arvutusliku modelleerimise, mis näitas, et eksperimentaalselt vaadeldud võrestruktuurid (põhinevad röntgenikiirguse hajumise mustritel) olid termodünaamiliselt kõige stabiilsemad, mida materjali vokslid võivad moodustada.
"Need materiaalsed vokslid võimaldavad meil hakata kasutama ideid, mis on saadud aatomitest (ja molekulidest) ja nendest moodustuvatest kristallidest, ning teisaldada need tohutud teadmised ja andmebaasid huvipakkuvatesse nanoskaala süsteemidesse," selgitas Kumar.
Seejärel demonstreerisid Gangi õpilased Columbias, kuidas koosteplatvormi saab kasutada kahe erineva keemilise ja optilise funktsiooniga materjali organiseerimiseks. Ühel juhul panid nad kokku kaks ensüümi, luues suure pakkimistihedusega 3-D massiivid. Kuigi ensüümid jäid keemiliselt muutumatuks, näitasid nad ensümaatilise aktiivsuse umbes neljakordset suurenemist. Neid "nanoreaktoreid" saab kasutada kaskaadreaktsioonide manipuleerimiseks ja keemiliselt aktiivsete materjalide valmistamise võimaldamiseks. Optilise materjali tutvustamiseks segasid nad kahte erinevat värvi kvantpunktid - pisikesed nanokristallid, mida kasutatakse suure värviküllastuse ja heledusega telerite valmistamiseks. Fluorestsentsmikroskoobiga jäädvustatud kujutised näitasid, et moodustunud võre säilitas värvipuhtuse allpool valguse difraktsioonipiiri (lainepikkust); see omadus võib võimaldada erinevate kuvari- ja optiliste sidetehnoloogiate eraldusvõime olulist parandamist.
"Peame uuesti läbi mõtlema, kuidas materjale saab moodustada ja kuidas need toimivad," ütles Gang. "Materjali ümberkujundamine ei pruugi olla vajalik; lihtsalt olemasolevate materjalide pakkimine uutel viisidel võib nende omadusi parandada. Potentsiaalselt võiks meie platvorm olla 3D-printimise tootmisest kaugemal võimaldav tehnoloogia, mis võimaldab kontrollida materjale palju väiksemas mahus ja suurema materjalivalikuga. kavandatud kompositsioonid, kasutades sama lähenemisviisi 3-D võre moodustamiseks erinevatest materjaliklassidest soovitud nanoobjektidest, integreerides need, mida muidu peetaks kokkusobimatuks, võib revolutsiooni teha. nanotootmine."
Materjalid, mida pakub DOE/Brookhaven National Laboratory. Märkus. Sisu saab muuta stiili ja pikkuse järgi.
Hankige uusimaid teadusuudiseid ScienceDaily tasuta meiliuudiskirjadega, mida uuendatakse iga päev ja kord nädalas. Või vaadake oma RSS-lugejas iga tunni ajakohastatud uudistevooge:
Rääkige meile, mida arvate ScienceDailyst – ootame nii positiivseid kui ka negatiivseid kommentaare. Kas saidi kasutamisel on probleeme? Küsimused?
Postitusaeg: 14.01.2020