دانشمندان پلت فرمی را برای مونتاژ اجزای مواد با اندازه نانو یا "اشیاء نانویی" از انواع بسیار متفاوت - معدنی یا آلی - در ساختارهای سه بعدی مورد نظر ایجاد کرده‌اند. اگرچه خودآرایی (SA) با موفقیت برای سازماندهی نانومواد از انواع مختلف استفاده شده است، این فرآیند بسیار خاص سیستم بوده و ساختارهای مختلفی را بر اساس خواص ذاتی مواد ایجاد می کند. همانطور که در مقاله ای که امروز در Nature Materials منتشر شد، پلت فرم جدید نانوساخت قابل برنامه ریزی با DNA آنها می تواند برای سازماندهی انواع مواد سه بعدی به همان روش های تجویز شده در مقیاس نانو (میلیاردم متر) استفاده شود، که در آن نوری و شیمیایی منحصر به فرد است. ، و سایر خواص ظاهر می شود.
اولگ گنگ، نویسنده مسئول توضیح داد: «یکی از دلایل اصلی که چرا SA تکنیک انتخابی برای کاربردهای عملی نیست این است که فرآیند SA یکسان را نمی‌توان در طیف وسیعی از مواد برای ایجاد آرایه‌های مرتب شده سه بعدی یکسان از نانو اجزای مختلف اعمال کرد. ، رهبر گروه نانومواد نرم و زیستی در مرکز نانومواد عملکردی (CFN) -- یکی از تاسیسات کاربر دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در آزمایشگاه ملی بروکهاون - و استاد مهندسی شیمی و فیزیک کاربردی و علوم مواد در مهندسی کلمبیا. در اینجا، ما فرآیند SA را از خواص مواد با طراحی قاب‌های DNA چندوجهی سفت و سخت که می‌توانند نانو اشیاء معدنی یا آلی مختلف از جمله فلزات، نیمه‌رساناها و حتی پروتئین‌ها و آنزیم‌ها را در خود محصور کنند، جدا کردیم.»
دانشمندان قاب های DNA مصنوعی را به شکل مکعب، هشت وجهی و چهار وجهی مهندسی کردند. در داخل قاب ها "بازو" DNA وجود دارد که فقط نانو اشیاء با توالی DNA مکمل می توانند به آنها متصل شوند. این وکسل‌های ماده - ادغام قاب DNA و شی نانو - بلوک‌های ساختمانی هستند که می‌توان از آنها ساختارهای سه بعدی در مقیاس کلان ساخت. فریم ها بدون در نظر گرفتن اینکه چه نوع نانوشی در داخل (یا نه) با توجه به دنباله های مکملی که در رأس خود با آنها کدگذاری شده اند، به یکدیگر متصل می شوند. بسته به شکل آنها، قاب ها تعداد رئوس متفاوتی دارند و بنابراین ساختارهای کاملاً متفاوتی را تشکیل می دهند. هر نانو شی که در داخل فریم ها میزبانی می شود، ساختار قاب خاصی را می گیرد.
برای نشان دادن رویکرد مونتاژ خود، دانشمندان نانوذرات فلزی (طلا) و نیمه رسانا (سلنید کادمیوم) و یک پروتئین باکتریایی (استرپتاویدین) را به عنوان نانو اشیاء معدنی و آلی برای قرار دادن در چارچوب DNA انتخاب کردند. اول، آنها یکپارچگی قاب‌های DNA و تشکیل وکسل‌های مواد را با تصویربرداری با میکروسکوپ‌های الکترونی در مرکز میکروسکوپ الکترونی CFN و موسسه ون آندل، که مجموعه‌ای از ابزارهایی دارد که در دماهای برودتی برای نمونه‌های بیولوژیکی کار می‌کنند، تأیید کردند. آنها سپس ساختارهای شبکه سه بعدی را در پرتوهای پراکنده پرتو ایکس سخت منسجم و پرتوهای پراکنده مواد پیچیده منبع نور ملی سنکروترون II (NSLS-II) - یکی دیگر از تأسیسات کاربر دفتر علوم DOE در آزمایشگاه بروکهاون، کاوش کردند. مهندس کلمبیا بیخوفسکی، استاد مهندسی شیمی، صنعت کومار و گروهش، مدل‌سازی محاسباتی را انجام دادند که نشان داد ساختارهای شبکه‌ای مشاهده‌شده تجربی (بر اساس الگوهای پراکندگی اشعه ایکس) پایدارترین ساختارهای ترمودینامیکی هستند که وکسل‌های مواد می‌توانند تشکیل دهند.
کومار توضیح داد: «این وکسل‌های مواد به ما اجازه می‌دهند تا از ایده‌های مشتق شده از اتم‌ها (و مولکول‌ها) و کریستال‌هایی که تشکیل می‌دهند، استفاده کنیم و این دانش و پایگاه داده عظیم را به سیستم‌های مورد علاقه در مقیاس نانو منتقل کنیم.
سپس دانش‌آموزان گنگ در کلمبیا نشان دادند که چگونه می‌توان از پلت فرم مونتاژ برای سازماندهی دو نوع مختلف مواد با عملکردهای شیمیایی و نوری استفاده کرد. در یک مورد، آنها دو آنزیم را با هم مونتاژ کردند و آرایه های سه بعدی با چگالی بسته بندی بالا ایجاد کردند. اگرچه آنزیم ها از نظر شیمیایی بدون تغییر باقی ماندند، اما حدود چهار برابر افزایش فعالیت آنزیمی را نشان دادند. این نانوراکتورها می توانند برای دستکاری واکنش های آبشاری و امکان ساخت مواد شیمیایی فعال استفاده شوند. برای نمایش مواد نوری، آنها دو رنگ مختلف از نقاط کوانتومی را با هم مخلوط کردند - نانوکریستال‌های کوچکی که برای ساخت نمایشگرهای تلویزیونی با اشباع رنگ و روشنایی بالا استفاده می‌شوند. تصاویر گرفته شده با میکروسکوپ فلورسانس نشان داد که شبکه تشکیل شده خلوص رنگ را زیر حد پراش (طول موج) نور حفظ می کند. این ویژگی می تواند به بهبود وضوح قابل توجهی در فن آوری های مختلف نمایشگر و ارتباطات نوری اجازه دهد.
گنگ گفت: "ما باید در مورد چگونگی تشکیل مواد و نحوه عملکرد آنها تجدید نظر کنیم." طراحی مجدد مواد ممکن است ضروری نباشد؛ صرف بسته بندی مواد موجود به روش های جدید می تواند خواص آنها را افزایش دهد. به طور بالقوه، پلت فرم ما می تواند فناوری توانمندی "فراتر از تولید چاپ سه بعدی" برای کنترل مواد در مقیاس های بسیار کوچکتر و با تنوع مواد بیشتر باشد. ترکیبات طراحی شده با استفاده از رویکرد یکسان برای تشکیل شبکه های سه بعدی از نانو اشیاء مورد نظر از طبقات مواد مختلف، ادغام مواردی که در غیر این صورت در نظر گرفته می شوند. ناسازگار، می تواند انقلابی در تولید نانو ایجاد کند.
مواد ارائه شده توسط DOE/Brookhaven National Laboratory. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.
با خبرنامه های ایمیل رایگان ScienceDaily که روزانه و هفتگی به روز می شوند، آخرین اخبار علمی را دریافت کنید. یا فیدهای اخبار ساعتی را در RSS Reader خود مشاهده کنید:
نظر خود را درباره ScienceDaily به ما بگویید -- ما از نظرات مثبت و منفی استقبال می کنیم. آیا در استفاده از سایت مشکلی دارید؟ سوالات؟
زمان ارسال: ژانویه-14-2020