Gli scienziati hanno sviluppato una piattaforma per assemblare componenti materiali di dimensioni nanometriche, o "nano-oggetti", di tipi molto diversi - inorganici o organici - nelle strutture 3D desiderate. Sebbene l'autoassemblaggio (SA) sia stato utilizzato con successo per organizzare nanomateriali di vario tipo, il processo è stato estremamente specifico del sistema, generando strutture diverse in base alle proprietà intrinseche dei materiali. Come riportato in un articolo pubblicato oggi su Nature Materials, la loro nuova piattaforma di nanofabbricazione programmabile tramite DNA può essere applicata per organizzare una varietà di materiali 3D negli stessi modi prescritti su scala nanometrica (miliardesimi di metro), dove elementi ottici e chimici unici ed emergono altre proprietà.
"Uno dei motivi principali per cui SA non è una tecnica scelta per applicazioni pratiche è che lo stesso processo SA non può essere applicato a un'ampia gamma di materiali per creare identici array ordinati 3D da diversi nanocomponenti", ha spiegato l'autore corrispondente Oleg Gang. , leader del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) - una struttura per utenti scientifici del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory - e professore di ingegneria chimica e di fisica applicata e Scienza dei materiali alla Columbia Engineering. "Qui, abbiamo disaccoppiato il processo SA dalle proprietà dei materiali progettando rigidi telai di DNA poliedrici che possono incapsulare vari nano-oggetti inorganici o organici, inclusi metalli, semiconduttori e persino proteine ed enzimi."
Gli scienziati hanno progettato strutture di DNA sintetico a forma di cubo, ottaedro e tetraedro. All'interno dei telai ci sono "braccia" di DNA a cui possono legarsi solo i nano-oggetti con la sequenza di DNA complementare. Questi voxel materiali – l’integrazione della struttura del DNA e del nano-oggetto – sono gli elementi costitutivi da cui è possibile realizzare strutture 3D su macroscala. I fotogrammi si collegano tra loro indipendentemente dal tipo di nanooggetto che si trova all'interno (o meno) secondo le sequenze complementari con cui sono codificati ai loro vertici. A seconda della loro forma, i telai hanno un numero diverso di vertici e formano quindi strutture completamente diverse. Qualsiasi nanooggetto ospitato all'interno dei frame assume quella specifica struttura del frame.
Per dimostrare il loro approccio di assemblaggio, gli scienziati hanno selezionato nanoparticelle metalliche (oro) e semiconduttrici (seleniuro di cadmio) e una proteina batterica (streptavidina) come nanooggetti inorganici e organici da posizionare all'interno dei telai del DNA. In primo luogo, hanno confermato l’integrità dei fotogrammi del DNA e la formazione di voxel materiali mediante imaging con microscopi elettronici presso la CFN Electron Microscopy Facility e il Van Andel Institute, che dispone di una suite di strumenti che operano a temperature criogeniche per campioni biologici. Hanno quindi sondato le strutture reticolari 3D delle linee di luce Coherent Hard X-ray Scattering e Complex Materials Scattering della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un'altra struttura per utenti del DOE Office of Science presso il Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky, professore di ingegneria chimica Sanat Kumar e il suo gruppo hanno eseguito modelli computazionali rivelando che le strutture reticolari osservate sperimentalmente (basate sui modelli di diffusione dei raggi X) erano quelle più termodinamicamente stabili che i voxel materiali potevano formare.
"Questi voxel materiali ci consentono di iniziare a utilizzare idee derivate da atomi (e molecole) e dai cristalli che formano, e di trasferire questa vasta conoscenza e database a sistemi di interesse su scala nanometrica", ha spiegato Kumar.
Gli studenti di Gang alla Columbia hanno poi dimostrato come la piattaforma di assemblaggio potrebbe essere utilizzata per guidare l'organizzazione di due diversi tipi di materiali con funzioni chimiche e ottiche. In un caso, hanno co-assemblato due enzimi, creando array 3D con un’elevata densità di impaccamento. Sebbene gli enzimi siano rimasti chimicamente invariati, hanno mostrato un aumento di circa quattro volte dell’attività enzimatica. Questi "nanoreattori" potrebbero essere utilizzati per manipolare reazioni a cascata e consentire la fabbricazione di materiali chimicamente attivi. Per la dimostrazione del materiale ottico, hanno mescolato due diversi colori di punti quantici, minuscoli nanocristalli utilizzati per realizzare schermi televisivi con elevata saturazione e luminosità del colore. Le immagini catturate con un microscopio a fluorescenza hanno mostrato che il reticolo formato manteneva la purezza del colore al di sotto del limite di diffrazione (lunghezza d'onda) della luce; questa proprietà potrebbe consentire un miglioramento significativo della risoluzione in varie tecnologie di visualizzazione e comunicazione ottica.
"Dobbiamo ripensare al modo in cui i materiali possono essere formati e al modo in cui funzionano", ha affermato Gang. “La riprogettazione dei materiali potrebbe non essere necessaria; il semplice confezionamento dei materiali esistenti in nuovi modi potrebbe migliorarne le proprietà. Potenzialmente, la nostra piattaforma potrebbe essere una tecnologia abilitante “oltre la produzione di stampa 3D” per controllare i materiali su scale molto più piccole e con una maggiore varietà di materiali e composizioni progettate. Utilizzando lo stesso approccio per formare reticoli 3D da nano-oggetti desiderati di diverse classi di materiali, integrando quelli che altrimenti sarebbero considerati incompatibili, potrebbe rivoluzionare la nanoproduzione."
Materiali forniti dal DOE/Brookhaven National Laboratory. Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.
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Orario di pubblicazione: 14 gennaio 2020