Zinātnieki ir izstrādājuši platformu nanoizmēra materiālu komponentu vai ļoti dažādu veidu - neorganisku vai organisku - "nanoobjektu" salikšanai vēlamajās 3-D struktūrās. Lai gan pašmontāža (SA) ir veiksmīgi izmantota, lai organizētu vairāku veidu nanomateriālus, process ir bijis ārkārtīgi specifisks sistēmai, radot dažādas struktūras, pamatojoties uz materiālu raksturīgajām īpašībām. Kā ziņots šodien Nature Materials publicētajā rakstā, to jauno ar DNS programmējamo nanofabrikācijas platformu var izmantot, lai organizētu dažādus 3-D materiālus tādos pašos noteiktos veidos nanomērogā (metra miljarddaļās), kur ir unikālas optiskās, ķīmiskās īpašības. , un parādās citas īpašības.
"Viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc SA nav izvēles paņēmiens praktiskiem lietojumiem, ir tas, ka vienu un to pašu SA procesu nevar izmantot plašā materiālu klāstā, lai izveidotu identiskus 3-D sakārtotus masīvus no dažādiem nanokomponentiem," skaidroja atbilstošais autors Oļegs Gangs. , Mīksto un bio nanomateriālu grupas vadītājs Funkcionālo nanomateriālu centrā (CFN) — ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Zinātnes biroja lietotāju iecirknī Brūkhevenas Nacionālajā laboratorijā -- un Kolumbijas inženierzinātņu ķīmijas inženierijas un lietišķās fizikas un materiālu zinātnes profesors. "Šeit mēs atdalījām SA procesu no materiāla īpašībām, izstrādājot stingrus daudzskaldņu DNS rāmjus, kas var iekapsulēt dažādus neorganiskus vai organiskus nanoobjektus, tostarp metālus, pusvadītājus un pat proteīnus un fermentus."
Zinātnieki izstrādāja sintētiskos DNS rāmjus kuba, oktaedra un tetraedra formā. Rāmju iekšpusē ir DNS "rokas", pie kurām var saistīties tikai nanoobjekti ar komplementāru DNS secību. Šie materiālie vokseļi - DNS rāmja un nanoobjekta integrācija - ir celtniecības bloki, no kuriem var izgatavot makro mēroga 3-D struktūras. Rāmji savienojas viens ar otru neatkarīgi no tā, kāda veida nanoobjekts atrodas (vai nav) iekšā atbilstoši komplementārajām sekvencēm, ar kurām tie ir kodēti to virsotnēs. Atkarībā no to formas rāmjiem ir atšķirīgs virsotņu skaits, un tādējādi tie veido pilnīgi atšķirīgas struktūras. Jebkuri nanoobjekti, kas atrodas rāmjos, uzņemas konkrēto rāmja struktūru.
Lai demonstrētu savu montāžas pieeju, zinātnieki izvēlējās metāla (zelta) un pusvadītāju (kadmija selenīda) nanodaļiņas un baktēriju proteīnu (streptavidīnu) kā neorganiskos un organiskos nanoobjektus, kas jāievieto DNS rāmjos. Pirmkārt, viņi apstiprināja DNS rāmju integritāti un materiālu vokseļu veidošanos, attēlveidojot ar elektronu mikroskopiem CFN elektronu mikroskopijas iekārtā un Van Andela institūtā, kurā ir instrumentu komplekts, kas darbojas kriogēnās temperatūrās bioloģiskajiem paraugiem. Pēc tam viņi pārbaudīja trīsdimensiju režģa struktūras Nacionālā sinhrotrona gaismas avota II (NSLS-II) koherentās cietās rentgenstaru izkliedes un sarežģīto materiālu izkliedes staru līnijās — citā DOE Zinātnes biroja lietotāja telpā Brookhaven laboratorijā. Columbia Engineering Bykhovsky Ķīmiskās inženierijas profesors Sanats Kumars un viņa grupa veica skaitļošanas modelēšanu, atklājot, ka eksperimentāli novērotās režģa struktūras (pamatojoties uz rentgenstaru izkliedes modeļiem) bija termodinamiski stabilākās, ko varēja veidot materiāla vokseļi.
"Šie materiālie vokseļi ļauj mums sākt izmantot idejas, kas iegūtas no atomiem (un molekulām) un kristāliem, ko tie veido, un pārnest šīs plašās zināšanas un datubāzi uz interesēm nanomērogā," skaidroja Kumars.
Pēc tam Gang studenti Kolumbijā demonstrēja, kā montāžas platformu var izmantot, lai vadītu divu dažādu materiālu ar ķīmiskām un optiskām funkcijām organizēšanu. Vienā gadījumā viņi kopā samontēja divus fermentus, izveidojot 3-D blokus ar augstu iepakojuma blīvumu. Lai gan fermenti palika ķīmiski nemainīgi, tiem bija aptuveni četras reizes lielāka fermentatīvā aktivitāte. Šos "nanoreaktorus" varētu izmantot, lai manipulētu ar kaskādes reakcijām un nodrošinātu ķīmiski aktīvu materiālu ražošanu. Optiskā materiāla demonstrēšanai viņi sajauca divas dažādas kvantu punktu krāsas - sīkus nanokristālus, kas tiek izmantoti, lai izveidotu televīzijas displejus ar augstu krāsu piesātinājumu un spilgtumu. Ar fluorescences mikroskopu uzņemtie attēli parādīja, ka izveidotā režģa krāsas tīrība saglabājās zem gaismas difrakcijas robežas (viļņa garuma); šis īpašums varētu ļaut ievērojami uzlabot izšķirtspēju dažādās displeja un optisko sakaru tehnoloģijās.
"Mums ir jāpārdomā, kā materiālus var veidot un kā tie darbojas," sacīja Gangs. "Materiālu pārprojektēšana var nebūt nepieciešama; vienkārši iesaiņojot esošos materiālus jaunos veidos, varētu uzlabot to īpašības. Potenciāli mūsu platforma varētu būt tehnoloģija, kas "ne tikai 3-D drukas ražošanai", lai kontrolētu materiālus daudz mazākā mērogā un ar lielāku materiālu daudzveidību un izstrādātas kompozīcijas, izmantojot to pašu pieeju, lai veidotu 3-D režģus no vēlamiem dažādu materiālu klašu nanoobjektiem, integrējot tos, kas citādi tiktu uzskatīti par nesaderīgiem, varētu radīt revolūciju. nanoražošana."
Materiāli, ko nodrošina DOE/Brookhaven National Laboratory. Piezīme. Saturu var rediģēt pēc stila un garuma.
Saņemiet jaunākās zinātnes ziņas, izmantojot ScienceDaily bezmaksas e-pasta biļetenus, kas tiek atjaunināti katru dienu un katru nedēļu. Vai skatiet katru stundu atjauninātās ziņu plūsmas savā RSS lasītājā:
Pastāstiet mums, ko domājat par ScienceDaily — mēs atzinīgi vērtējam gan pozitīvus, gan negatīvus komentārus. Vai ir problēmas ar vietnes lietošanu? Jautājumi?
Izlikšanas laiks: 14. janvāris 2020