Nano-objets de désir: assemblage de nanostructures ordonnées en 3D - Sciencedaily

Les scientifiques ont développé une plate-forme pour assembler des composants de matériaux nanosités, ou «nano-objets», de types très différents - inorganiques ou organiques - dans des structures 3D souhaitées. Bien que l'auto-assemblage (SA) ait été utilisé avec succès pour organiser des nanomatériaux de plusieurs types, le processus a été extrêmement spécifique au système, générant différentes structures basées sur les propriétés intrinsèques des matériaux. Comme indiqué dans un article publié aujourd'hui dans Nature Materials, leur nouvelle plate-forme de nanofabrication programmable ADN peut être appliquée pour organiser une variété de matériaux 3D de la même manière prescrite à l'échelle nanométrique (milliards de mètres), où une seule optique, chimique unique, chimique unique et d'autres propriétés émergent.

"L'une des principales raisons pour lesquelles SA n'est pas une technique de choix pour des applications pratiques est que le même processus SA ne peut pas être appliqué sur un large éventail de matériaux pour créer des tableaux ordonnés en 3D identiques à partir de différents nanocomponents", a expliqué l'auteur correspondant Oleg Gang Oleg Gang , leader du groupe de nanomatériaux doux et bio du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility au Brookhaven National Laboratory - et professeur de génie chimique et de physique appliquée et Science des matériaux chez Columbia Engineering. "Ici, nous avons découplé le processus SA des propriétés des matériaux en concevant des cadres d'ADN polyédrique rigides qui peuvent encapsuler divers nano-objets inorganiques ou organiques, y compris les métaux, les semi-conducteurs et même les protéines et les enzymes."

Les scientifiques ont conçu des cadres d'ADN synthétiques sous la forme d'un cube, d'un octaèdre et d'un tétraèdre. À l'intérieur des cadres se trouvent des «bras» d'ADN que seuls les nano-objets avec la séquence d'ADN complémentaire peuvent se lier. Ces voxels matériels - l'intégration du cadre d'ADN et du nano-objet - sont les éléments constitutifs à partir desquels des structures en 3D macrosco-échelles peuvent être réalisées. Les cadres se connectent les uns aux autres, quel que soit le type de nano-objet à l'intérieur (ou non) en fonction des séquences complémentaires avec lesquelles ils sont codés lors de leurs sommets. Selon leur forme, les cadres ont un nombre différent de sommets et forment donc des structures entièrement différentes. Tous les nano-objets hébergés à l'intérieur des cadres prennent cette structure de trame spécifique.

Pour démontrer leur approche d'assemblage, les scientifiques ont sélectionné des nanoparticules métalliques (or) et semi-conductrices (sélénide de cadmium) et une protéine bactérienne (streptavidine) comme nano-objets inorganiques et organiques à placer à l'intérieur des cadres d'ADN. Tout d'abord, ils ont confirmé l'intégrité des cadres d'ADN et la formation de voxels matériels par imagerie avec des microscopes électroniques à l'installation de microscopie électronique CFN et le Van Andel Institute, qui a une suite d'instruments qui fonctionnent à des températures cryogéniques pour des échantillons biologiques. Ils ont ensuite sondé les structures du réseau 3D à la diffusion cohérente des rayons X durs et des matériaux complexes diffusant les lignes de faisceau de la source de lumière National Synchrotron II (NSLS-II) - une autre installation d'utilisateurs Office of Science Doe à Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professeur de génie chimique Sanat Kumar et son groupe ont effectué une modélisation informatique révélant que les structures de réseau observées expérimentalement (basées sur les modèles de diffusion des rayons X) étaient les plus thermodynamiquement stables que les voxels de matériaux pouvaient former.

"Ces voxels matériels nous permettent de commencer à utiliser des idées dérivées d'atomes (et de molécules) et des cristaux qu'ils forment, et de porter cette vaste connaissance et base de données vers des systèmes d'intérêt à l'échelle nanométrique", a expliqué Kumar.

Les étudiants de Gang à Columbia ont ensuite démontré comment la plate-forme d'assemblage pouvait être utilisée pour conduire l'organisation de deux types de matériaux différents avec des fonctions chimiques et optiques. Dans un cas, ils ont co-assemblé deux enzymes, créant des tableaux 3D avec une densité d'emballage élevée. Bien que les enzymes soient restées chimiquement inchangées, elles ont montré une augmentation quadruple de l'activité enzymatique. Ces «nanoréacteurs» pourraient être utilisés pour manipuler les réactions en cascade et permettre la fabrication de matériaux chimiquement actifs. Pour la démonstration de matériau optique, ils ont mélangé deux couleurs différentes de points quantiques - de minuscules nanocristaux qui sont utilisés pour fabriquer des affichages télévisés avec une saturation et une luminosité de haute couleur. Les images capturées avec un microscope à fluorescence ont montré que le réseau formé maintenait la pureté de couleur sous la limite de diffraction (longueur d'onde) de la lumière; Cette propriété pourrait permettre une amélioration de résolution significative dans diverses technologies d'affichage et de communication optique.

"Nous devons repenser comment les matériaux peuvent être formés et comment ils fonctionnent", a déclaré Gang. "La refonte des matériaux peut ne pas être nécessaire; l'emballage des matériaux existants de nouvelles façons pourrait améliorer leurs propriétés. Potentiellement, notre plate-forme pourrait être une technologie habilitante« au-delà de la fabrication d'impression 3D »pour contrôler les matériaux à des échelles beaucoup plus petites et avec une plus grande variété de matériaux et une plus grande variété de matériaux et Compositions conçues.

Matériel fourni par DOE / Brookhaven National Laboratory. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

Obtenez les dernières actualités scientifiques avec les newsletters par courrier électronique gratuites de Sciencedaily, mis à jour quotidiennement et hebdomadaire. Ou consultez des filons de journaux à jour horaires dans votre lecteur RSS:

Dites-nous ce que vous pensez de Sciencedaily - nous accueillons des commentaires à la fois positifs et négatifs. Vous avez des problèmes d'utilisation du site? Questions?


Heure du poste: 14 janvier-2020