מדענים פיתחו פלטפורמה להרכבת רכיבי חומר בגודל ננו, או "ננו-אובייקטים", מסוגים שונים מאוד - אנאורגניים או אורגניים - למבנים תלת-ממדיים רצויים. למרות שהרכבה עצמית (SA) שימשה בהצלחה לארגון ננו-חומרים מכמה סוגים, התהליך היה ספציפי מאוד למערכת, ויצר מבנים שונים המבוססים על התכונות הפנימיות של החומרים. כפי שדווח במאמר שפורסם היום ב-Nature Materials, ניתן ליישם את פלטפורמת הננו-ייצור הניתנת לתכנות ב-DNA כדי לארגן מגוון של חומרים תלת-ממדיים באותן דרכים שנקבעו בקנה מידה ננו-מטרי (מיליארדיות המטר), כאשר אופטי כימי ייחודי. , ומאפיינים אחרים צצים.
"אחת הסיבות העיקריות לכך ש-SA אינה טכניקת בחירה ליישומים מעשיים היא שלא ניתן ליישם את אותו תהליך SA על פני מגוון רחב של חומרים ליצירת מערכים זהים בהזמנה תלת-ממדית מננו-רכיבים שונים", הסביר המחבר המקביל אולג גאנג. , מנהיג קבוצת ננו-חומרים רכים וביו במרכז לננו-חומרים פונקציונליים (CFN) - מתקן משתמש של משרד האנרגיה של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) במעבדה הלאומית ברוקהייבן - ופרופסור להנדסה כימית ולפיזיקה שימושית מדעי החומרים בקולומביה הנדסה. "כאן, ניתקנו את תהליך ה-SA ממאפייני החומר על ידי תכנון מסגרות DNA פולי-הדרליות נוקשות שיכולות לכלול ננו-אובייקטים אורגניים שונים אורגניים, כולל מתכות, מוליכים למחצה, ואפילו חלבונים ואנזימים."
המדענים הנדסו מסגרות DNA סינתטיות בצורת קובייה, אוקטהדרון וטטרהדרון. בתוך המסגרות יש "זרועות" של DNA שרק ננו-אובייקטים בעלי רצף ה-DNA המשלים יכולים להיקשר אליהם. ווקסלים חומריים אלה - השילוב של מסגרת ה-DNA והננו-אובייקט - הם אבני הבניין שמהם ניתן ליצור מבנים תלת-ממדיים בקנה מידה מאקרו. הפריימים מתחברים זה לזה ללא קשר לאיזה סוג של ננו-אובייקט נמצא בפנים (או לא) לפי הרצפים המשלימים איתם הם מקודדים בקודקודיהם. בהתאם לצורתן, למסגרות יש מספר שונה של קודקודים ובכך יוצרות מבנים שונים לחלוטין. כל ננו-אובייקט המתארח בתוך הפריימים מקבל את מבנה המסגרת הספציפי הזה.
כדי להדגים את גישת ההרכבה שלהם, המדענים בחרו ננו-חלקיקים מתכתיים (זהב) ומוליכים למחצה (קדמיום סלניד) וחלבון חיידקי (סטרפטווידין) כננו-אובייקטים אנאורגניים ואורגניים שיוצבו בתוך מסגרות ה-DNA. ראשית, הם אישרו את שלמות מסגרות ה-DNA והיווצרות של ווקסלים חומרים על ידי הדמיה במיקרוסקופים אלקטרונים במתקן CFN למיקרוסקופיה אלקטרונית ובמכון ואן אנדל, שיש לו חבילת מכשירים הפועלים בטמפרטורות קריוגניות עבור דגימות ביולוגיות. לאחר מכן הם בדקו את מבני הסריג התלת-ממדיים בקווי אלומת פיזור רנטגן קשיח קוהרנטי ופיזור חומרים מורכבים של מקור האור הלאומי סינכרוטרון II (NSLS-II) - מתקן משתמש נוסף של משרד המדע של DOE במעבדת ברוקהייבן. הנדסת קולומביה Bykhovsky, פרופסור להנדסה כימית, סנאט קומאר וקבוצתו ביצעו מודלים חישוביים וגילו כי מבני הסריג שנצפו בניסוי (בהתבסס על דפוסי פיזור קרני הרנטגן) היו היציבים ביותר מבחינה תרמודינמית שהווקסלים החומריים יכלו ליצור.
"הווקסלים החומריים האלה מאפשרים לנו להתחיל להשתמש ברעיונות שמקורם באטומים (וממולקולות) והגבישים שהם יוצרים, ולהעביר את הידע והבסיס הנתונים העצומים האלה למערכות מעניינות בקנה מידה ננו, הסביר קומאר.
סטודנטים של גאנג בקולומביה הדגימו אז כיצד ניתן להשתמש בפלטפורמת ההרכבה כדי להניע את הארגון של שני סוגים שונים של חומרים בעלי פונקציות כימיות ואופטיות. במקרה אחד, הם הרכיבו יחד שני אנזימים, ויצרו מערכים תלת מימדיים עם צפיפות אריזה גבוהה. למרות שהאנזימים נותרו ללא שינוי מבחינה כימית, הם הראו עלייה של פי ארבעה בפעילות האנזימטית. "ננו-אקטורים" אלה יכולים לשמש כדי לתמרן תגובות מפל ולאפשר ייצור של חומרים פעילים כימית. לצורך הדגמת החומר האופטי, הם ערבבו שני צבעים שונים של נקודות קוונטיות - ננו-גבישים זעירים המשמשים לייצור תצוגות טלוויזיה עם רוויה ובהירות צבעים גבוהים. תמונות שצולמו במיקרוסקופ פלואורסצנטי הראו שהסריג שנוצר שמר על טוהר הצבע מתחת לגבול הדיפרקציה (אורך הגל) של האור; מאפיין זה יכול לאפשר שיפור משמעותי ברזולוציה בטכנולוגיות שונות של תצוגה ותקשורת אופטית.
"אנחנו צריכים לחשוב מחדש איך חומרים יכולים להיווצר ואיך הם פועלים", אמר גאנג. "ייתכן שלא יהיה צורך בתכנון מחדש של חומרים; אריזה של חומרים קיימים בדרכים חדשות עשויה לשפר את המאפיינים שלהם. פוטנציאלית, הפלטפורמה שלנו יכולה להיות טכנולוגיה המאפשרת 'מעבר לייצור הדפסה תלת-ממדית' לשלוט בחומרים בקנה מידה קטן בהרבה ועם מגוון חומרים גדול יותר. שימוש בגישה זהה ליצירת סריג תלת מימד מאובייקטים ננו רצויים של מחלקות חומרים שונים, שילוב של אלו שאחרת ייחשבו כבלתי תואמים, עלול לחולל מהפכה בייצור הננו.
חומרים מסופקים על ידי DOE/Brookhaven National Laboratory. הערה: ניתן לערוך את התוכן לפי הסגנון והאורך.
קבל את החדשות המדעיות האחרונות עם עלוני הדוא"ל החינמיים של ScienceDaily, המתעדכנים מדי יום ושבוע. או הצג עדכוני ניוז מעודכנים לפי שעה בקורא ה-RSS שלך:
ספר לנו מה אתה חושב על ScienceDaily -- נשמח לקבל הערות חיוביות ושליליות כאחד. יש לכם בעיות בשימוש באתר? שאלות?
זמן פרסום: 14 בינואר 2020