Tiedemiehet ovat kehittäneet alustan nanokokoisten materiaalikomponenttien tai "nanoobjektien" kokoamiseen hyvin erityyppisiksi - epäorgaanisiksi tai orgaanisiksi - halutuiksi 3-D-rakenteiksi. Vaikka itsekokoamista (SA) on käytetty menestyksekkäästi useiden erilaisten nanomateriaalien järjestämiseen, prosessi on ollut erittäin järjestelmäspesifinen ja luonut erilaisia rakenteita materiaalien sisäisten ominaisuuksien perusteella. Kuten tänään Nature Materialsissa julkaistussa artikkelissa kerrottiin, heidän uutta DNA-ohjelmoitavaa nanovalmistusalustaa voidaan soveltaa erilaisten 3-D-materiaalien järjestämiseen samoilla tavoilla nanomittakaavassa (metrin miljardisosissa), jossa ainutlaatuiset optiset, kemialliset , ja muita ominaisuuksia tulee esiin.
"Yksi tärkeimmistä syistä, miksi SA ei ole valittu tekniikka käytännön sovelluksiin, on se, että samaa SA-prosessia ei voida soveltaa useisiin eri materiaaleihin identtisten 3D-järjestetyjen ryhmien luomiseksi eri nanokomponenteista", selitti vastaava kirjoittaja Oleg Gang. , Soft and Bio Nanomaterials Groupin johtaja funktionaalisten nanomateriaalien keskuksessa (CFN) – Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tiedetoimiston Brookhaven National Laboratoryn käyttäjäyksikössä -- ja kemiantekniikan sekä soveltavan fysiikan ja materiaalitieteen professori Columbia Engineeringissä. "Tässä erotimme SA-prosessin materiaaliominaisuuksista suunnittelemalla jäykkiä monitahoisia DNA-kehyksiä, jotka voivat kapseloida erilaisia epäorgaanisia tai orgaanisia nano-objekteja, mukaan lukien metallit, puolijohteet ja jopa proteiinit ja entsyymit."
Tiedemiehet suunnittelivat synteettisiä DNA-kehyksiä kuution, oktaedrin ja tetraedrin muodossa. Kehyksien sisällä on DNA:n "käsivarret", joihin vain nanoobjektit, joilla on komplementaarinen DNA-sekvenssi, voivat sitoutua. Nämä materiaalivokselit - DNA-kehyksen ja nano-objektin integraatio - ovat rakennuspalikoita, joista voidaan tehdä makromittakaavaisia 3D-rakenteita. Kehykset liittyvät toisiinsa riippumatta siitä, millainen nano-objekti on sisällä (tai ei) niiden komplementaaristen sekvenssien mukaan, joilla ne on koodattu kärjeissään. Kehyksillä on muotonsa mukaan eri määrä pisteitä ja ne muodostavat siten täysin erilaisia rakenteita. Kaikki kehysten sisällä olevat nano-objektit ottavat sen tietyn kehysrakenteen.
Kokoamistapansa osoittamiseksi tutkijat valitsivat metallisia (kulta) ja puolijohtavia (kadmiumselenidi) nanopartikkeleita ja bakteeriproteiinia (streptavidiinia) epäorgaanisiksi ja orgaanisiksi nano-objekteiksi, jotka sijoitetaan DNA-kehysten sisään. Ensinnäkin he vahvistivat DNA-kehysten eheyden ja materiaalivokseleiden muodostumisen kuvantamalla elektronimikroskoopeilla CFN Electron Microscopy Facilityssä ja Van Andel Institutessa, jossa on sarja instrumentteja, jotka toimivat kryogeenisissa lämpötiloissa biologisten näytteiden käsittelyä varten. Sitten he tutkivat kolmiulotteisia hilarakenteita National Synchrotron Light Source II:n (NSLS-II) – toisen DOE:n tiedetoimiston käyttäjälaitoksen Brookhaven Labissa – koherentin kovan röntgensironta- ja monimutkaisten materiaalien sirontasädelinjoissa. Columbia Engineering Bykhovsky Kemiantekniikan professori Sanat Kumar ja hänen ryhmänsä suorittivat laskennallisen mallinnuksen, joka paljasti, että kokeellisesti havaitut hilarakenteet (perustuvat röntgensäteen sirontakuvioihin) olivat termodynaamisesti stabiileimpia, mitä materiaalivokselit pystyivät muodostamaan.
"Näiden materiaalivokseleiden avulla voimme alkaa käyttää ideoita, jotka on johdettu atomeista (ja molekyyleistä) ja niiden muodostamista kiteistä, ja siirtää tämän laajan tiedon ja tietokannan kiinnostaviin järjestelmiin nanomittakaavassa", Kumar selitti.
Gangin opiskelijat Columbiassa osoittivat sitten, kuinka kokoonpanoalustaa voidaan käyttää kahden erilaisen materiaalin organisoimiseen, joilla on kemiallisia ja optisia toimintoja. Yhdessä tapauksessa he kokosivat kaksi entsyymiä ja loivat kolmiulotteisia ryhmiä, joilla oli korkea pakkaustiheys. Vaikka entsyymit pysyivät kemiallisesti muuttumattomina, niiden entsymaattinen aktiivisuus kasvoi noin nelinkertaiseksi. Näitä "nanoreaktoreita" voitaisiin käyttää manipuloimaan kaskadireaktioita ja mahdollistamaan kemiallisesti aktiivisten materiaalien valmistus. Optisen materiaalin esittelyä varten he sekoittivat kaksi eri väriä kvanttipisteitä - pieniä nanokiteitä, joita käytetään korkean värikylläisyyden ja kirkkauden televisioiden valmistukseen. Fluoresenssimikroskoopilla otetut kuvat osoittivat, että muodostunut hila säilytti värin puhtauden valon diffraktiorajan (aallonpituuden) alapuolella; tämä ominaisuus voisi mahdollistaa merkittävän resoluution parantamisen erilaisissa näyttö- ja optisissa viestintätekniikoissa.
"Meidän on mietittävä uudelleen, kuinka materiaaleja voidaan muodostaa ja miten ne toimivat", Gang sanoi. "Materiaalien uudelleensuunnittelu ei välttämättä ole tarpeen; pelkkä olemassa olevien materiaalien pakkaaminen uusilla tavoilla voisi parantaa niiden ominaisuuksia. Mahdollisesti alustamme voisi olla mahdollistava teknologia "3D-tulostuksen valmistuksen lisäksi" materiaalien hallitsemiseksi paljon pienemmässä mittakaavassa ja suuremmalla materiaalivalikoimalla. Suunnitellut koostumukset, joissa käytetään samaa lähestymistapaa 3D-hilojen muodostamiseen eri materiaaliluokista kuuluvista halutuista nano-objekteista, integroimalla ne, joita muutoin pidettäisiin yhteensopimattomina, voisi mullistaa. nanovalmistus."
Materiaalit toimittaa DOE/Brookhaven National Laboratory. Huomautus: Sisältöä voidaan muokata tyylin ja pituuden mukaan.
Saat viimeisimmät tiedeuutiset ScienceDailyn ilmaisilla sähköpostiuutiskirjeillä, joita päivitetään päivittäin ja viikoittain. Tai katso tunneittain päivitetyt uutissyötteet RSS-lukijassasi:
Kerro meille mielipiteesi ScienceDailysta – otamme mielellämme vastaan sekä positiivisia että negatiivisia kommentteja. Onko sinulla ongelmia sivuston käytössä? Kysymyksiä?
Postitusaika: 14.1.2020