科学者たちは、無機または有機など、非常に異なるタイプのナノサイズの材料コンポーネント、つまり「ナノオブジェクト」を組み立てて、目的の 3 次元構造にするためのプラットフォームを開発しました。自己組織化 (SA) を使用して数種類のナノ材料を組織化することに成功しましたが、そのプロセスは非常にシステム固有であり、材料の固有の特性に基づいてさまざまな構造を生成します。 Nature Materials に本日掲載された論文で報告されているように、同社の新しい DNA プログラム可能なナノ製造プラットフォームは、ナノスケール (10 億分の 1 メートル) で同じ規定の方法でさまざまな 3D 材料を組織化するために適用できます。などの性質が現れます。
「SAが実用化に最適な技術ではない主な理由の1つは、同じSAプロセスを広範囲の材料に適用して、異なるナノコンポーネントから同一の3次元秩序配列を作成できないことです」と責任著者のオレグ・ギャング氏は説明した。 、ブルックヘブン国立研究所の米国エネルギー省 (DOE) 科学ユーザー施設である機能性ナノマテリアルセンター (CFN) のソフトおよびバイオナノマテリアルグループのリーダーであり、化学工学および応用物理学の教授コロンビアエンジニアリングの材料科学。 「ここでは、金属、半導体、さらにはタンパク質や酵素を含むさまざまな無機または有機ナノオブジェクトをカプセル化できる剛直な多面体 DNA フレームを設計することで、SA プロセスを材料特性から切り離しました。」
科学者たちは、立方体、八面体、四面体の形をした合成 DNA フレームを設計しました。フレームの内側には、相補的な DNA 配列を持つナノオブジェクトのみが結合できる DNA「アーム」があります。これらの材料ボクセル (DNA フレームとナノオブジェクトの統合) は、マクロスケールの 3D 構造を作成できる構成要素です。フレームは、どのような種類のナノオブジェクトが内部にあるかどうかに関係なく、頂点でエンコードされている相補シーケンスに従って互いに接続されます。フレームはその形状に応じて頂点の数が異なるため、まったく異なる構造を形成します。フレーム内にホストされているナノオブジェクトはすべて、その特定のフレーム構造をとります。
組み立てアプローチを実証するために、科学者らは、DNA フレーム内に配置する無機および有機ナノオブジェクトとして、金属 (金) および半導体 (セレン化カドミウム) のナノ粒子と細菌タンパク質 (ストレプトアビジン) を選択しました。まず、彼らは、CFN電子顕微鏡施設とヴァン・アンデル研究所の電子顕微鏡による画像化によって、DNAフレームの完全性と物質ボクセルの形成を確認した。ヴァン・アンデル研究所には、生体サンプル用に極低温で動作する一連の機器がある。次に、ブルックヘブン研究所にあるエネルギー省科学局のユーザー施設の一つである国立シンクロトロン光源 II (NSLS-II) のコヒーレント硬 X 線散乱および複合材料散乱ビームラインで 3 次元格子構造を調査しました。コロンビアエンジニアリングのビホフスキー化学工学教授サナート・クマール氏と彼のグループは、計算モデリングを実行し、実験で観察された格子構造（X線散乱パターンに基づく）が、材料ボクセルが形成できる最も熱力学的に安定した構造であることを明らかにした。
「これらのマテリアルボクセルを使用すると、原子（および分子）とそれらが形成する結晶に由来するアイデアを使い始め、この膨大な知識とデータベースをナノスケールで対象のシステムに移植することができます」とクマール氏は説明しました。
次に、コロンビア大学のギャング氏の学生たちは、組み立てプラットフォームを使用して、化学的および光学的機能を持つ 2 つの異なる種類の材料の組織化を推進する方法を実証しました。あるケースでは、2 つの酵素を一緒に組み立てて、高い充填密度の 3 次元アレイを作成しました。酵素は化学的には変化していないにもかかわらず、酵素活性が約 4 倍増加しました。これらの「ナノリアクター」を使用すると、カスケード反応を操作し、化学的に活性な材料の製造が可能になる可能性があります。光学材料のデモンストレーションでは、2 つの異なる色の量子ドット (高彩度と高輝度のテレビ ディスプレイの製造に使用される小さなナノ結晶) を混合しました。蛍光顕微鏡で撮影した画像は、形成された格子が光の回折限界 (波長) 以下の色純度を維持していることを示しました。この特性により、さまざまなディスプレイおよび光通信技術で大幅な解像度の向上が可能になる可能性があります。
「材料がどのように形成され、どのように機能するかを再考する必要がある」とギャング氏は言う。 「材料の再設計は必要ないかもしれません。既存の材料を新しい方法でパッケージングするだけで、その特性が向上する可能性があります。潜在的に、私たちのプラットフォームは、はるかに小さなスケールで、より多様な材料で材料を制御するための「3D プリンティング製造を超えた」技術を可能にする可能性があります。同じアプローチを使用して、異なる材料クラスの望ましいナノオブジェクトから 3 次元格子を形成し、他の方法では互換性がないと考えられるものを統合することにより、ナノ製造に革命をもたらす可能性があります。」
材料はDOE/ブルックヘブン国立研究所から提供されました。注: コンテンツはスタイルや長さのために編集される場合があります。
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投稿日時: 2020 年 1 月 14 日