科学者は、非常に異なるタイプの「ナノオブジェクト」（無機または有機）の「ナノオブジェクト」を希望の3D構造に組み立て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）はいくつかの種類のナノ材料を整理するために成功裏に使用されていますが、こ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異なる構造を生成しています。本日、Nature Materialsで発表された論文で報告されているように、彼らの新しいDNAプログラマブルナノファブリケーションプラットフォームを適用して、ユニークな光学、化学物質、その他の特性が出現するナノスケール（10億分の1メートル）で同じ規定の方法でさまざまな3D材料を整理できます。
「SAが実用的なアプリケーションに最適な手法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3D順序アレイを作成できないことです」と、対応する著者オレグギャング、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、センターセンターフォーパンダルナノマテリアスグループ（CFN）研究所 - およびコロンビア工学の化学工学と応用物理学および材料科学の教授。 「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体多面体DNAフレームを設計することにより、SAプロセスを材料特性から分離しました。」
科学者は、立方体、八面体、四面体の形の合成DNAフレームを設計しました。フレームの内部には、補完的な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、頂点でエンコードされた相補的なシーケンスに従って、どのような種類のナノオブジェクトが内部にある（またはそうでないか）に関係なく、互いに接続します。形状に応じて、フレームには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、その特定のフレーム構造を取り上げます。
科学者は、彼らのアセンブリアプローチを実証するために、DNAフレーム内に配置され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）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。第一に、彼らは、生物サンプルの極低温温度で動作する機器スイートを備えたCFN電子顕微鏡施設とvan Andel Instituteで電子顕微鏡でイメージングすることにより、DNAフレームの完全性と材料ボクセルの形成を確認しました。その後、彼らは、Brookhaven Labの別のDOE科学ユーザー施設である国立シンクロトロン光源II（NSLS-II）のコヒーレントハードX線散乱および複雑な材料散乱ビームラインで3D格子構造を調査しました。コロンビア工学バイホフスキー化学工学の教授Sanat Kumarと彼のグループは、実験的に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ものであることを明らかにした計算モデリングを実行しました。
「これらの材料ボクセルにより、原子（および分子）から派生したアイデアとそれらが形成される結晶を使用し始め、この膨大な知識とデータベースをナノスケールの関心のあるシステムに移植することができます」とクマールは説明しました。
その後、コロンビアのギャングの学生は、アセンブリ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備えた2種類の材料の組織化を促進する方法を実証しました。あるケースでは、2つの酵素を共組み込みし、高い梱包密度の3Dアレイを作成しました。酵素は化学的に変化しないままでしたが、酵素活性の約4倍の増加を示しました。これらの「ナノリアクター」は、カスケード反応を操作し、化学的に活性材料の製造を可能にするために使用できます。光学材料の実証のために、それらは2つの異なる色の量子ドットを混ぜ合わせました - 高色の飽和と明るさのテレビディスプレイを作るために使用されている小さなナノ結晶。蛍光顕微鏡でキャプチャされた画像は、形成された格子が光の回折限界（波長）よりも色の純度を維持することを示しました。このプロパティは、さまざまなディスプレイおよび光学通信技術の大幅な解像度の改善を可能にする可能性があります。
「材料をどのように形成できるか、どのように機能するかを再考する必要があります」とギャングは言いました。 「材料の再設計は必要ない場合があります。既存の材料を新しい方法でパッケージ化するだけでプロパティを強化することができます。潜在的に、私たちのプラットフォームは、3D印刷製造を超えて、より小さなスケールでより大きな材料で材料を制御し、構成を設計することを可能にする可能性があります。
Doe/Brookhaven National Laboratoryが提供する材料。注：コンテンツは、スタイルと長さについて編集できます。
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投稿時間：1月14日 - 2020年