A tudósok kifejlesztettek egy platformot nanoméretű anyagkomponensek vagy „nanoobjektumok” nagyon különböző típusú – szervetlen vagy szerves – összeállítására a kívánt 3D-s szerkezetekké. Bár az önösszeszerelést (SA) sikeresen alkalmazták többféle nanoanyag rendszerezésére, az eljárás rendkívül rendszer-specifikus volt, és az anyagok belső tulajdonságai alapján különböző struktúrákat hozott létre. Amint arról a Nature Materials-ban ma megjelent cikk beszámolt, az új, DNS-sel programozható nanogyártási platformjuk felhasználható különféle 3D-s anyagok nanoméretben (a méter milliárdod részében) történő megszervezésére, ahol egyedülálló optikai, kémiai , és más tulajdonságok jelennek meg.
"Az egyik fő ok, amiért az SA nem választott technika a gyakorlati alkalmazásokhoz, az az, hogy ugyanazt az SA-eljárást nem lehet sokféle anyagon alkalmazni, hogy különböző nanokomponensekből azonos, háromdimenziós rendezett tömböket hozzanak létre" - magyarázta Oleg Gang, a megfelelő szerző. , a Lágy és Bio Nanomaterials Csoport vezetője a Funkcionális nanoanyagok központjában (CFN) – az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Tudományos Hivatalának felhasználói létesítményében a Brookhaven National Laboratoryban –, valamint a vegyészmérnöki és az alkalmazott fizika professzora. Anyagtudomány a Columbia Engineeringnél. "Itt leválasztottuk az SA-eljárást az anyagtulajdonságoktól azáltal, hogy merev poliéderes DNS-kereteket terveztünk, amelyek különböző szervetlen vagy szerves nano-objektumokat, köztük fémeket, félvezetőket, sőt fehérjéket és enzimeket is magukba foglalhatnak."
A tudósok szintetikus DNS-kereteket készítettek kocka, oktaéder és tetraéder formájában. A kereteken belül olyan DNS-karok találhatók, amelyekhez csak a komplementer DNS-szekvenciával rendelkező nanoobjektumok tudnak kötődni. Ezek az anyagi voxelek – a DNS-keret és a nanoobjektum integrációja – azok az építőelemek, amelyekből makroléptékű 3D-s szerkezetek készíthetők. A keretek attól függetlenül kapcsolódnak egymáshoz, hogy milyen nanoobjektum van benne (vagy nincs), a csúcsukban kódolt komplementer szekvenciák szerint. A kereteknek alakjuktól függően eltérő számú csúcsuk van, és így teljesen más szerkezetet alkotnak. A kereteken belül tárolt bármely nano-objektum felveszi az adott keretszerkezetet.
Összeszerelési megközelítésük bemutatására a tudósok fémes (arany) és félvezető (kadmium-szelenid) nanorészecskéket és egy bakteriális fehérjét (sztreptavidint) választottak ki szervetlen és szerves nano-objektumként, amelyet a DNS-keretekbe kell helyezni. Először is elektronmikroszkópos képalkotással erősítették meg a DNS-keretek integritását és az anyagi voxelek képződését a CFN Elektronmikroszkópos Létesítményben és a Van Andel Intézetben, amely olyan műszercsomaggal rendelkezik, amely kriogén hőmérsékleten működik biológiai minták számára. Ezután megvizsgálták a háromdimenziós rácsszerkezeteket a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) koherens kemény röntgenszórás és komplex anyagok szórás sugárnyalábjainál, amely egy másik DOE Office of Science felhasználói létesítmény a Brookhaven Labban. A Columbia Engineering Bykhovsky vegyészmérnök professzora, Sanat Kumar és csoportja számítógépes modellezést végzett, amely feltárta, hogy a kísérletileg megfigyelt rácsszerkezetek (a röntgenszórási minták alapján) a termodinamikailag legstabilabbak, amelyeket az anyagi voxelek alkothatnak.
"Ezek az anyagi voxelek lehetővé teszik számunkra, hogy elkezdjük használni az atomokból (és molekulákból) és az általuk alkotott kristályokból származó ötleteket, és átvigyük ezt a hatalmas tudást és adatbázist a nanoméretű, érdekes rendszerekbe" - magyarázta Kumar.
A Gang kolumbiai diákjai ezt követően bemutatták, hogyan lehet az összeszerelő platformot felhasználni két különböző kémiai és optikai funkciókkal rendelkező anyag szervezésére. Egy esetben két enzimet állítottak össze, így 3D-s tömböket hoztak létre nagy tömörítési sűrűséggel. Bár az enzimek kémiailag változatlanok maradtak, körülbelül négyszeresére nőtt az enzimaktivitásuk. Ezek a "nanoreaktorok" kaszkád reakciók manipulálására és kémiailag aktív anyagok előállítására használhatók. Az optikai anyagok bemutatásához két különböző színű kvantumpontot kevertek össze – apró nanokristályokat, amelyekből nagy színtelítettségű és fényerős televíziókat készítenek. A fluoreszcens mikroszkóppal készített felvételek azt mutatták, hogy a kialakult rács színtisztaságát a fény diffrakciós határa (hullámhossza) alatt tartja; ez a tulajdonság jelentős felbontás-javítást tesz lehetővé a különböző megjelenítési és optikai kommunikációs technológiákban.
"Újra kell gondolnunk, hogyan lehet anyagokat kialakítani és hogyan működnek" - mondta Gang. "Lehet, hogy nincs szükség az anyagok újratervezésére; a meglévő anyagok egyszerű csomagolása új módokon javíthatja tulajdonságaikat. Platformunk potenciálisan a 3D nyomtatási gyártáson túlmutató technológia lehet az anyagok sokkal kisebb léptékű és nagyobb anyagválasztékú szabályozására. A tervezett kompozíciók ugyanazt a megközelítést alkalmazva háromdimenziós rácsokat képeznek különböző anyagosztályokba tartozó nanoobjektumokból, integrálva azokat, amelyek egyébként összeférhetetlennek minősülnének, forradalmasíthatják a nanogyártást.
A DOE/Brookhaven National Laboratory által biztosított anyagokat. Megjegyzés: A tartalom stílusa és hossza miatt szerkeszthető.
Szerezze meg a legfrissebb tudományos híreket a ScienceDaily ingyenes e-mailes hírleveleivel, amelyeket naponta és hetente frissítenek. Vagy tekintse meg az óránként frissített hírfolyamokat RSS-olvasójában:
Mondja el, mit gondol a ScienceDaily-ről – örömmel fogadjuk a pozitív és negatív megjegyzéseket egyaránt. Problémái vannak az oldal használatával? Kérdések?
Feladás időpontja: 2020.01.14