Para ilmuwan telah mengembangkan platform untuk merakit komponen material berukuran nano, atau "objek nano", dari jenis yang sangat berbeda -- anorganik atau organik -- menjadi struktur 3-D yang diinginkan. Meskipun self-assembly (SA) telah berhasil digunakan untuk mengatur beberapa jenis bahan nano, prosesnya sangat spesifik pada sistem, menghasilkan struktur yang berbeda berdasarkan sifat intrinsik bahan tersebut. Seperti yang dilaporkan dalam makalah yang diterbitkan hari ini di Nature Materials, platform nanofabrikasi baru yang dapat diprogram DNA dapat diterapkan untuk mengatur berbagai bahan 3-D dengan cara yang sama pada skala nano (sepersejuta meter), di mana optik, bahan kimia yang unik , dan properti lainnya muncul.
“Salah satu alasan utama mengapa SA bukan teknik pilihan untuk aplikasi praktis adalah bahwa proses SA yang sama tidak dapat diterapkan pada berbagai bahan untuk membuat susunan 3-D yang identik dari komponen nano yang berbeda,” jelas penulis terkait, Oleg Gang. , pemimpin Grup Soft dan Bio Nanomaterials di Center for Functional Nanomaterials (CFN) -- Fasilitas Pengguna Kantor Sains Departemen Energi (DOE) AS di Laboratorium Nasional Brookhaven -- dan seorang profesor Teknik Kimia dan Fisika Terapan dan Ilmu Material di Columbia Engineering. “Di sini, kami memisahkan proses SA dari sifat material dengan merancang bingkai DNA polihedral kaku yang dapat merangkum berbagai objek nano anorganik atau organik, termasuk logam, semikonduktor, dan bahkan protein dan enzim.”
Para ilmuwan merekayasa bingkai DNA sintetik dalam bentuk kubus, segi delapan, dan tetrahedron. Di dalam bingkai terdapat "lengan" DNA yang hanya dapat diikat oleh objek nano dengan rangkaian DNA komplementer. Voxel material ini -- integrasi kerangka DNA dan objek nano -- adalah bahan penyusun struktur 3-D skala makro dapat dibuat. Bingkai-bingkai tersebut terhubung satu sama lain terlepas dari jenis objek nano apa yang ada di dalamnya (atau tidak) sesuai dengan urutan pelengkap yang dikodekan pada simpulnya. Tergantung pada bentuknya, bingkai mempunyai jumlah simpul yang berbeda dan dengan demikian membentuk struktur yang sama sekali berbeda. Setiap objek nano yang dihosting di dalam bingkai mengambil struktur bingkai tertentu.
Untuk menunjukkan pendekatan perakitan mereka, para ilmuwan memilih nanopartikel logam (emas) dan semikonduktor (kadmium selenida) dan protein bakteri (streptavidin) sebagai objek nano anorganik dan organik untuk ditempatkan di dalam bingkai DNA. Pertama, mereka mengkonfirmasi integritas kerangka DNA dan pembentukan voxel material dengan pencitraan menggunakan mikroskop elektron di Fasilitas Mikroskopi Elektron CFN dan Institut Van Andel, yang memiliki serangkaian instrumen yang beroperasi pada suhu kriogenik untuk sampel biologis. Mereka kemudian menyelidiki struktur kisi 3-D di Garis Sinar Hamburan Sinar-X Keras yang Koheren dan Garis Sinar Hamburan Bahan Kompleks dari National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) -- Fasilitas Pengguna Kantor Sains DOE lainnya di Brookhaven Lab. Teknik Columbia Profesor Teknik Kimia Bykhovsky Sanat Kumar dan kelompoknya melakukan pemodelan komputasi yang mengungkapkan bahwa struktur kisi yang diamati secara eksperimental (berdasarkan pola hamburan sinar-x) adalah yang paling stabil secara termodinamika yang dapat dibentuk oleh voxel material.
“Voksel material ini memungkinkan kita untuk mulai menggunakan ide-ide yang berasal dari atom (dan molekul) dan kristal yang mereka bentuk, dan memindahkan pengetahuan dan basis data yang luas ini ke sistem yang diminati pada skala nano,” jelas Kumar.
Mahasiswa Gang di Columbia kemudian mendemonstrasikan bagaimana platform perakitan dapat digunakan untuk menggerakkan pengorganisasian dua jenis material berbeda dengan fungsi kimia dan optik. Dalam satu kasus, mereka menggabungkan dua enzim, menciptakan susunan 3-D dengan kepadatan pengepakan yang tinggi. Meskipun enzim-enzim tersebut tetap tidak berubah secara kimia, mereka menunjukkan peningkatan aktivitas enzimatik sekitar empat kali lipat. "Nanoreaktor" ini dapat digunakan untuk memanipulasi reaksi kaskade dan memungkinkan pembuatan bahan kimia aktif. Untuk demonstrasi material optik, mereka mencampurkan dua warna titik kuantum yang berbeda -- nanokristal kecil yang digunakan untuk membuat tampilan televisi dengan saturasi dan kecerahan warna tinggi. Gambar yang diambil dengan mikroskop fluoresensi menunjukkan bahwa kisi yang terbentuk menjaga kemurnian warna di bawah batas difraksi (panjang gelombang) cahaya; properti ini memungkinkan peningkatan resolusi yang signifikan dalam berbagai teknologi tampilan dan komunikasi optik.
“Kita perlu memikirkan kembali bagaimana bahan dapat dibentuk dan bagaimana fungsinya,” kata Gang. "Desain ulang material mungkin tidak diperlukan; cukup mengemas material yang sudah ada dengan cara baru dapat meningkatkan sifat-sifatnya. Platform kami berpotensi menjadi teknologi yang memungkinkan 'di luar manufaktur pencetakan 3-D' untuk mengontrol material pada skala yang jauh lebih kecil dan dengan variasi material yang lebih besar serta komposisi yang dirancang. Menggunakan pendekatan yang sama untuk membentuk kisi 3-D dari objek nano yang diinginkan dari kelas material berbeda, mengintegrasikan objek yang dianggap tidak kompatibel, dapat merevolusi manufaktur nano."
Materi disediakan oleh DOE/Brookhaven National Laboratory. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.
Dapatkan berita sains terkini dengan buletin email gratis ScienceDaily, yang diperbarui setiap hari dan mingguan. Atau lihat umpan berita yang diperbarui setiap jam di pembaca RSS Anda:
Beri tahu kami pendapat Anda tentang ScienceDaily -- kami menerima komentar positif dan negatif. Ada masalah dalam menggunakan situs ini? Pertanyaan?
Waktu posting: 14 Januari 2020