Gli scienziati hanno sviluppato una piattaforma per assemblare componenti di materiale nanosizzato, 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 diversi tipi, il processo è stato estremamente specifico del sistema, generando strutture diverse basate sulle proprietà intrinseche dei materiali. Come riportato in un documento pubblicato oggi in Nature Materials, la loro nuova piattaforma di nanofabrificazione programmabile del DNA può essere applicata per organizzare una varietà di materiali 3D negli stessi modi prescritti sulla nanoscala (miliardi di metri di un metro), in cui emergono ottiche uniche, chimiche e altre proprietà.
"Uno dei motivi principali per cui SA non è una tecnica di scelta per applicazioni pratiche è che lo stesso processo di SA non può essere applicato su una vasta gamma di materiali per creare identici matrici ordinate in 3-D da diversi nanocomponenti", ha spiegato l'autore corrispondente Oleg (DOE) USATTHEGE STROGHE STROPPOUS ATTRICHE STROPFE STROPFE STROPPO National Laboratory - e professore di ingegneria chimica e scienza di fisica e materiali applicati presso la Columbia Engineering. "Qui, abbiamo disaccoppiato il processo SA dalle proprietà del materiale progettando rigidi frame del DNA poliedrico che possono incapsulare vari nano-oggetti inorganici o organici, tra cui metalli, semiconduttori e persino proteine ed enzimi."
Gli scienziati hanno progettato i frame del DNA sintetico a forma di cubo, ottaedro e tetraedro. All'interno dei frame ci sono "bracci" del DNA che solo i nano-oggetti con la sequenza del DNA complementare possono legarsi. Questi voxel di materiale-l'integrazione del telaio del DNA e dei nano-oggetto-sono i mattoni da cui è possibile realizzare strutture 3-D macrostiche. I frame si collegano tra loro, indipendentemente dal tipo di nano-oggetto all'interno (o no) secondo le sequenze complementari con cui sono codificate ai loro vertici. A seconda della loro forma, i frame hanno un numero diverso di vertici e quindi formano strutture completamente diverse. Eventuali nano-oggetti ospitati all'interno dei frame assumono quella specifica struttura del telaio.
Per dimostrare il loro approccio di assemblaggio, gli scienziati hanno selezionato nanoparticelle metalliche (oro) e semiconduttori (selenidi del cadmio) e una proteina batterica (streptavidina) come nano-oggetti inorganici e organici da posizionare all'interno dei frame del DNA. Innanzitutto, hanno confermato l'integrità dei frame del DNA e la formazione di voxel di materiale mediante imaging con microscopi elettronici presso la struttura per microscopia elettronica CFN e l'Istituto Van Andel, che ha una suite di strumenti che operano a temperature criogeniche per campioni biologici. Hanno quindi sondato le strutture reticolari 3-D nella coerente scattering a raggi X e nei materiali complessi di scattering travite della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-un'altra struttura per utenti di scienze del doe presso Brookhaven Lab. L'ingegneria della Columbia Bykhovsky professore di ingegneria chimica Sanat Kumar e il suo gruppo hanno eseguito modellazione computazionale rivelando che le strutture reticolari osservate sperimentalmente (basate sui modelli di scattering a raggi X) erano quelle più termodinamicamente stabili che i voxel del materiale potevano formare.
"Questi voxel materiali ci consentono di iniziare a usare idee derivate da atomi (e molecole) e dai cristalli che formano e portano questa vasta conoscenza e database ai sistemi di interesse sulla nanoscala", ha spiegato Kumar.
Gli studenti di Gang della Columbia hanno quindi dimostrato come la piattaforma di assemblaggio potesse 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 una densità di imballaggio elevata. Sebbene gli enzimi siano rimasti chimicamente invariati, hanno mostrato circa un quadruplo aumento dell'attività enzimatica. Questi "nanoreattori" potrebbero essere usati per manipolare le 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: piccoli nanocristalli che vengono utilizzati per realizzare display televisivi con saturazione e luminosità ad alto colore. Le immagini catturate con un microscopio a fluorescenza hanno mostrato che il reticolo formato ha mantenuto la purezza del colore al di sotto del limite di diffrazione (lunghezza d'onda) della luce; Questa proprietà potrebbe consentire un significativo miglioramento della risoluzione nelle varie tecnologie di comunicazione di visualizzazione e ottica.
"Dobbiamo ripensare il modo in cui i materiali possono essere formati e il modo in cui funzionano", ha detto Gang. "La riprogettazione dei materiali potrebbe non essere necessaria; semplicemente imballare i materiali esistenti in nuovi modi potrebbero migliorare le loro proprietà. Potenzialmente, la nostra piattaforma potrebbe essere una tecnologia abilitante" oltre la produzione di stampa 3-D "per controllare i materiali su scale molto più piccole e con una maggiore varietà di materiali e progettate.
Materiali forniti dal laboratorio nazionale DOE/Brookhaven. Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.
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Tempo post: 14-2020 gennaio