Os científicos desenvolveron unha plataforma para ensamblar compoñentes de materiais de tamaño nanométrico, ou "nanoobxectos", de tipos moi diferentes --inorgánicos ou orgánicos-- en estruturas 3D desexadas. Aínda que a autoensamblaxe (SA) utilizouse con éxito para organizar nanomateriais de varios tipos, o proceso foi extremadamente específico do sistema, xerando diferentes estruturas baseadas nas propiedades intrínsecas dos materiais. Segundo se informa nun artigo publicado hoxe en Nature Materials, a súa nova plataforma de nanofabricación programable por ADN pódese aplicar para organizar unha variedade de materiais 3-D das mesmas formas prescritas a nanoescala (milmillonésimas de metro), onde se producen produtos químicos e ópticos únicos. , e xorden outras propiedades.
"Unha das principais razóns polas que SA non é unha técnica de elección para aplicacións prácticas é que o mesmo proceso SA non se pode aplicar nunha ampla gama de materiais para crear matrices idénticas ordenadas en 3-D a partir de diferentes nanocompoñentes", explicou o autor correspondente Oleg Gang. , líder do Grupo de Nanomateriais Soft e Bio no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) -- un Departamento de Enerxía dos EE. -- e profesor de Enxeñaría Química e de Física Aplicada e Ciencia dos Materiais en Columbia Engineering. "Aquí, desacoplamos o proceso SA das propiedades dos materiais deseñando marcos de ADN poliédrico ríxido que poden encapsular varios nanoobxectos inorgánicos ou orgánicos, incluíndo metais, semicondutores e mesmo proteínas e encimas".
Os científicos elaboraron marcos de ADN sintético en forma de cubo, octaedro e tetraedro. Dentro dos cadros hai "brazos" de ADN aos que só poden unirse os nanoobxectos coa secuencia de ADN complementaria. Estes voxels materiais --a integración do cadro de ADN e o nanoobxecto-- son os bloques de construción a partir dos cales se poden facer estruturas 3-D a macroescala. Os cadros conéctanse entre si independentemente de que tipo de nanoobxecto estea dentro (ou non) segundo as secuencias complementarias coas que están codificados nos seus vértices. Segundo a súa forma, os cadros teñen un número diferente de vértices e, polo tanto, forman estruturas totalmente diferentes. Calquera nanoobxecto aloxado dentro dos cadros adquire esa estrutura de cadros específica.
Para demostrar o seu enfoque de ensamblaxe, os científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (ouro) e semicondutoras (seleniuro de cadmio) e unha proteína bacteriana (estreptavidina) como nanoobxectos inorgánicos e orgánicos para colocar dentro dos cadros de ADN. En primeiro lugar, confirmaron a integridade dos cadros de ADN e a formación de voxels materiais mediante a obtención de imaxes con microscopios electrónicos no CFN Electron Microscopy Facility e no Van Andel Institute, que ten un conxunto de instrumentos que funcionan a temperaturas crioxénicas para mostras biolóxicas. Despois probaron as estruturas de celosía 3-D nas liñas de luz de dispersión coherente de raios X duros e de dispersión de materiais complexos da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), outra instalación de usuarios da Oficina de Ciencia do DOE no Brookhaven Lab. O profesor de Enxeñaría Química de Columbia Engineering Bykhovsky Sanat Kumar e o seu grupo realizaron modelos computacionais que revelaron que as estruturas de celosía observadas experimentalmente (baseadas nos patróns de dispersión de raios X) eran as termodinámicamente máis estables que podían formar os voxels materiais.
"Estes vóxels materiais permítennos comezar a usar ideas derivadas de átomos (e moléculas) e os cristais que forman, e transportar este amplo coñecemento e base de datos a sistemas de interese a nanoescala", explicou Kumar.
Os estudantes de Gang en Columbia demostraron entón como se podía usar a plataforma de montaxe para impulsar a organización de dous tipos diferentes de materiais con funcións químicas e ópticas. Nun caso, ensamblaron dous encimas, creando matrices 3-D cunha alta densidade de empaquetamento. Aínda que os encimas permaneceron químicamente inalterados, mostraron un aumento de preto de catro veces na actividade enzimática. Estes "nanorreactores" poderían usarse para manipular reaccións en cascada e permitir a fabricación de materiais químicamente activos. Para a demostración do material óptico, mesturaron dúas cores diferentes de puntos cuánticos: pequenos nanocristais que se están a usar para facer pantallas de televisión con alta saturación de cores e brillo. As imaxes captadas cun microscopio de fluorescencia mostraron que a rede formada mantiña a pureza da cor por debaixo do límite de difracción (lonxitude de onda) da luz; esta propiedade podería permitir unha mellora significativa da resolución en varias tecnoloxías de visualización e comunicación óptica.
"Necesitamos repensar como se poden formar materiais e como funcionan", dixo Gang. "O redeseño de materiais pode non ser necesario; simplemente empaquetar materiais existentes de novas formas poderían mellorar as súas propiedades. Potencialmente, a nosa plataforma podería ser unha tecnoloxía habilitante "máis alá da fabricación de impresión en 3D" para controlar os materiais a escalas moito máis pequenas e cunha maior variedade de materiais. Composicións deseñadas mediante o mesmo enfoque para formar redes 3D a partir de nanoobxectos desexados de diferentes clases de materiais, integrando aqueles que doutro xeito serían considerados incompatibles. revolucionar a nanofabricación".
Materiais proporcionados polo DOE/Brookhaven National Laboratory. Nota: o contido pódese editar polo estilo e a lonxitude.
Recibe as últimas noticias científicas cos boletíns de correo electrónico gratuítos de ScienceDaily, actualizados diariamente e semanalmente. Ou consulta as fontes de noticias actualizadas cada hora no teu lector RSS:
Cóntanos o que pensas de ScienceDaily: aceptamos comentarios positivos e negativos. Tes algún problema ao usar o sitio? Preguntas?
Hora de publicación: 14-xan-2020