Tutkijat ovat kehittäneet alustan nanosoitujen materiaalikomponenttien tai "nano-esineiden" kokoamiseksi hyvin erityyppisistä-epäorgaanisista tai orgaanisista-haluttuihin kolmiulotteisiin rakenteisiin. Vaikka itsekokoonpanoa (SA) on onnistuneesti käytetty monenlaisten nanomateriaalien järjestämiseen, prosessi on ollut erittäin järjestelmäkohtainen, mikä tuottaa erilaisia rakenteita materiaalien luontaisten ominaisuuksien perusteella. Kuten nykyään Nature Materials -lehdessä julkaistussa lehdessä on ilmoitettu, niiden uutta DNA-ohjelmoitavaa nanobrippurointialustaa voidaan käyttää monien kolmiulotteisten materiaalien järjestämiseen samoilla määrätyillä tavoilla nanomittakaavassa (mittarin miljardes), missä ilmenee ainutlaatuinen optinen, kemikaali ja muut ominaisuudet.
"Yksi tärkeimmistä syistä, miksi SA ei ole valittu tekniikka käytännöllisille sovelluksille, on, että samaa SA-prosessia ei voida soveltaa monilla materiaaleilla, jotta voidaan luoda identtisiä 3D-tilattuja taulukkoja eri nanokomponenteista", selitti vastaava kirjailija Oleg Gang, pehmeän ja bio-nanomateriaalien johtaja funktionaalisten nanomateriaalien (CFN) -toimintojen (CFN) -toimintojen (CFN)-Yhdysvaltain laitososastolla). ja kemian tekniikan ja sovelletun fysiikan ja materiaalitieteen professori Columbia Engineeringissä. "Täällä irtisanotimme SA-prosessin materiaaliominaisuuksista suunnittelemalla jäykät polyhedal-DNA-kehykset, jotka voivat kapseloida erilaisia epäorgaanisia tai orgaanisia nano-esineitä, mukaan lukien metallit, puolijohteet ja jopa proteiinit ja entsyymit."
Tutkijat suunnittelivat synteettisiä DNA -kehyksiä kuution, oktaedron ja tetraedron muodossa. Kehysten sisällä ovat DNA "-varret", joihin vain nano-esineet, joissa on komplementaarinen DNA-sekvenssi, voivat sitoutua. Nämä materiaalien vokselit-DNA-kehyksen ja nano-objektin integrointi-ovat rakennuspalikoita, joista makrokaala 3-D-rakenteet voidaan tehdä. Kehykset yhdistyvät toisiinsa riippumatta siitä, millainen nano-esine on sisällä (tai ei) niiden täydentävien sekvenssien mukaan, joita ne koodataan heidän kärkipisteisiin. Muodosta riippuen kehyksillä on erilainen määrä kärkipisteitä, joten ne muodostavat täysin erilaisia rakenteita. Kaikki kehyksien sisällä isännöidyt nanoesineet ottavat kyseisen kehyksen rakenteen.
Kokoonpanoslähestymistavan osoittamiseksi tutkijat valitsivat metalliset (kulta) ja puolijohtavat (kadmiumselenidi) nanohiukkaset ja bakteeriproteiinit (streptavidiini) epäorgaanisina ja orgaanisissa nano-objekteina, jotka sijoitetaan DNA-kehysten sisälle. Ensinnäkin he vahvistivat DNA -kehysten eheyden ja materiaalien vokselien muodostumisen kuvantamalla elektronimikroskooppeilla CFN -elektronimikroskopialaitoksessa ja Van Andel -instituutissa, jossa on joukko instrumentteja, jotka toimivat kryogeenisissä lämpötiloissa biologisiin näytteisiin. Sitten he kokosivat kolmiulotteiset hilarakenteet koherenttien kovan röntgensironnan ja monimutkaisten materiaalien sirontapalkkiviivut National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-toinen DOE: n tiedetoimisto Brookhaven Labissa. Columbia Engineering Bykhovsky -professori Sanat Kumar ja hänen ryhmänsä suorittivat laskennallisen mallinnuksen paljastaen, että kokeellisesti havaitut hilarakenteet (perustuvat röntgensirontakuvioihin) olivat termodynaamisesti vakaimmat, jotka materiaalien vokselit voisivat muodostaa.
"Näiden materiaalien vokselit antavat meille mahdollisuuden alkaa käyttää atomeista (ja molekyyleistä) ja niiden muodostamista kiteistä johdettuja ideoita ja portaat tämän laajan tiedon ja tietokannan kiinnostuksen kohteena oleviin järjestelmiin", Kumar selitti.
Columbian jengin opiskelijat osoittivat sitten, kuinka kokoontumisalusta voitaisiin käyttää kahden erityyppisten materiaalien järjestämiseen kemiallisilla ja optisilla toiminnoilla. Yhdessä tapauksessa he kokosivat kaksi entsyymiä luomalla kolmiulotteisia taulukkoja korkealla pakkaustiheydellä. Vaikka entsyymit pysyivät kemiallisesti muuttumattomina, ne osoittivat entsymaattisen aktiivisuuden noin nelinkertaisen nousun. Näitä "nanoreaktoreita" voitaisiin käyttää kaskadireaktioiden manipulointiin ja kemiallisesti aktiivisten materiaalien valmistuksen mahdollistamiseen. Optisen materiaalin esittelyä varten ne sekoittivat kaksi eri väriä kvanttipisteistä - pieniä nanokiteitä, joita käytetään televisionäytöksien tekemiseen, joilla on korkea kylläisyys ja kirkkaus. Fluoresenssimikroskoopilla otetut kuvat osoittivat, että muodostettu hila ylläpitää värin puhtautta valon diffraktiorajan (aallonpituus) alapuolella; Tämä ominaisuus voisi mahdollistaa merkittävän resoluution paranemisen erilaisissa näyttö- ja optisissa viestintätekniikoissa.
"Meidän on pohdittava, kuinka materiaalit voidaan muodostaa ja miten ne toimivat", sanoi Gang. "Materiaalin uudelleensuunnittelu ei välttämättä ole välttämätöntä; yksinkertaisesti olemassa olevien materiaalien pakkaaminen uusilla tavoilla voi parantaa niiden ominaisuuksia. Mahdollisesti alustamme voisi olla mahdollistava tekniikka, joka" ei ole kolmiulotteinen tulostusvalmistus ", jotta voidaan hallita materiaaleja paljon pienemmillä asteikolla ja suuremmalla materiaalimuotoisella ja suunniteltujen koostumusten avulla. Saman lähestymistavan käyttäminen muodon kolmiulotteisiin kelaihin halutuista nano-objekteista voi olla."
Materiaalit toimittavat DOE/Brookhavenin kansallinen laboratorio. Huomaa: Sisältöä voidaan muokata tyylin ja pituuden vuoksi.
Hanki viimeisimmät tiedeuutiset ScienceDailyn ilmaisilla sähköpostiuutiskirjeillä päivittäin ja viikoittain. Tai katso tunnin päivitetyt uutissyötteet RSS -lukijasi:
Kerro meille, mitä mieltä olet ScienceDaily - toivotamme tervetulleeksi sekä positiivisia että kielteisiä kommentteja. Onko sinulla mitään ongelmia sivuston käytöstä? Kysymyksiä?
Viestin aika: tammikuu 14-2020