Para ilmuwan telah mengembangkan platform untuk merakit komponen material nanosized, atau "objek nano," dari jenis yang sangat berbeda-anorganik atau organik-ke dalam struktur 3-D yang diinginkan. Meskipun self-assembly (SA) telah berhasil digunakan untuk mengatur bahan nano dari beberapa jenis, prosesnya sangat spesifik sistem, menghasilkan struktur yang berbeda berdasarkan sifat intrinsik bahan. Seperti yang dilaporkan dalam makalah yang diterbitkan hari ini di Nature Materials, platform nanofabrikasi yang dapat diprogram DNA baru mereka dapat diterapkan untuk mengatur berbagai bahan 3-D dengan cara yang ditentukan yang sama di nano (miliar meter), di mana optik yang unik, kimia, dan properti lainnya muncul.
"One of the major reasons why SA is not a technique of choice for practical applications is that the same SA process cannot be applied across a broad range of materials to create identical 3-D ordered arrays from different nanocomponents," explained corresponding author Oleg Gang, leader of the Soft and Bio Nanomaterials Group at the Center for Functional Nanomaterials (CFN) -- a US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility at Brookhaven National Laboratorium - 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 polyhedral yang kaku yang dapat merangkum berbagai objek nano-nano anorganik atau organik, termasuk logam, semikonduktor, dan bahkan protein dan enzim."
Para ilmuwan merekayasa bingkai DNA sintetis dalam bentuk kubus, octahedron, dan tetrahedron. Di dalam bingkai adalah "lengan" DNA yang hanya nano-objek dengan urutan DNA komplementer yang dapat berikatan. Voxel material ini-integrasi bingkai DNA dan objek nano-adalah blok bangunan dari mana struktur 3-D makro dapat dibuat. Bingkai terhubung satu sama lain terlepas dari jenis objek nano-nano apa di dalam (atau tidak) sesuai dengan urutan komplementer yang dikodekan dengan mereka pada simpul mereka. Bergantung pada bentuknya, bingkai memiliki jumlah simpul yang berbeda dan dengan demikian membentuk struktur yang sama sekali berbeda. Setiap objek nano yang di-host di dalam bingkai mengambil struktur bingkai tertentu.
Untuk menunjukkan pendekatan perakitan mereka, para ilmuwan memilih nanopartikel logam (emas) dan semikonduktor (kadmium selenide) dan protein bakteri (streptavidin) sebagai objek nano anorganik dan organik untuk ditempatkan di dalam bingkai DNA. Pertama, mereka mengkonfirmasi integritas bingkai DNA dan pembentukan voxel material dengan pencitraan dengan mikroskop elektron di fasilitas mikroskop elektron CFN dan Van Andel Institute, yang memiliki rangkaian instrumen yang beroperasi pada suhu kriogenik untuk sampel biologis. Mereka kemudian menyelidiki struktur kisi 3-D di hamburan sinar-X keras yang koheren dan sinar-sinar hamburan bahan kompleks dari Sumber Synchrotron Light II (NSLS-II)-Kantor DOE lainnya dari Fasilitas Pengguna Sains di Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Profesor Teknik Kimia 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 termodinamik yang dapat dibentuk oleh voxel material.
"Voxel material ini memungkinkan kita untuk mulai menggunakan ide -ide yang berasal dari atom (dan molekul) dan kristal yang mereka bentuk, dan portir pengetahuan dan basis data yang luas ini ke sistem yang menarik di skala nano," jelas Kumar.
Siswa Gang di Columbia kemudian menunjukkan bagaimana platform perakitan dapat digunakan untuk mendorong organisasi dua jenis bahan dengan fungsi kimia dan optik. Dalam satu kasus, mereka bersama-sama merakit dua enzim, menciptakan array 3-D dengan kepadatan pengemasan yang tinggi. Meskipun enzim tetap tidak berubah secara kimiawi, mereka menunjukkan peningkatan empat kali lipat dalam aktivitas enzimatik. "Nanoreactors" ini dapat digunakan untuk memanipulasi reaksi kaskade dan memungkinkan pembuatan bahan yang aktif secara kimia. Untuk demonstrasi bahan optik, mereka mencampur dua warna berbeda dari titik kuantum - nanokristal kecil yang digunakan untuk membuat tampilan televisi dengan saturasi dan kecerahan warna tinggi. Gambar yang ditangkap dengan mikroskop fluoresensi menunjukkan bahwa kisi yang terbentuk mempertahankan kemurnian warna di bawah batas difraksi (panjang gelombang) cahaya; Properti ini dapat memungkinkan peningkatan resolusi yang signifikan dalam berbagai tampilan dan teknologi komunikasi optik.
"Kita perlu memikirkan kembali bagaimana bahan dapat dibentuk dan bagaimana fungsinya," kata Gang. "Material redesign may not be necessary; simply packaging existing materials in new ways could enhance their properties. Potentially, our platform could be an enabling technology 'beyond 3-D printing manufacturing' to control materials at much smaller scales and with greater material variety and designed compositions. Using the same approach to form 3-D lattices from desired nano-objects of different material classes, integrating those that would otherwise be considered incompatible, could revolutionize nanomanufacturing."
Bahan yang disediakan oleh Laboratorium Nasional DOE/Brookhaven. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjang.
Dapatkan berita sains terbaru dengan buletin email gratis ScienceDaily, 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 menyambut komentar positif dan negatif. Punya masalah menggunakan situs ini? Pertanyaan?
Waktu posting: Jan-14-2020