Wetenschappers hebben een platform ontwikkeld voor het samenstellen van nanosised materiaalcomponenten, of "nano-objecten" van zeer verschillende soorten-anorganisch of organisch-in gewenste 3D-structuren. Hoewel zelfassemblage (SA) met succes is gebruikt om verschillende soorten nanomaterialen te organiseren, is het proces extreem systeemspecifiek geweest, waardoor verschillende structuren worden gegenereerd op basis van de intrinsieke eigenschappen van de materialen. Zoals gerapporteerd in een paper die vandaag is gepubliceerd in Nature Materials, kan hun nieuwe DNA-programmeerbare nanofabriceringsplatform worden toegepast om een verscheidenheid aan 3D-materialen op dezelfde voorgeschreven manieren op het nanoschaal (miljardste van een meter) te organiseren, waar unieke optische, chemische en andere eigenschappen opkomen.
"One of the major reasons why SA is not a technique of choice for practical applications is that the same SA process cannot be applied across a broad range of materials to create identical 3-D ordered arrays from different nanocomponents," explained corresponding author Oleg Gang, leader of the Soft and Bio Nanomaterials Group at the Center for Functional Nanomaterials (CFN) -- a US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility at Brookhaven National Laboratory - en professor in chemische technologie en toegepaste natuurkunde en materiaalwetenschappen bij Columbia Engineering. "Hier hebben we het SA-proces ontkoppeld van materiaaleigenschappen door rigide polyedrale DNA-frames te ontwerpen die verschillende anorganische of organische nano-objecten kunnen inkapselen, waaronder metalen, halfgeleiders en zelfs eiwitten en enzymen."
De wetenschappers hebben synthetische DNA -frames ontwikkeld in de vorm van een kubus, octaëder en tetraëder. Binnen de frames zijn DNA "armen" die alleen nano-objecten met de complementaire DNA-sequentie kunnen binden. Deze materiaalvoxels-de integratie van het DNA-frame en het nano-object-zijn de bouwstenen waaruit 3D-structuren van macroschaal kunnen worden gemaakt. De frames verbinden met elkaar, ongeacht wat voor soort nano-object binnen (of niet) is volgens de complementaire sequenties waarmee ze worden gecodeerd op hun hoekpunten. Afhankelijk van hun vorm hebben frames een ander aantal hoekpunten en vormen ze dus geheel verschillende structuren. Alle nano-objecten die in de frames worden gehost, nemen die specifieke framestructuur aan.
Om hun assemblagebenadering aan te tonen, selecteerden de wetenschappers metallic (goud) en halfgeleidende (cadmium selenide) nanodeeltjes en een bacterieel eiwit (streptavidine) als de anorganische en organische nano-objecten die in de DNA-frames moeten worden geplaatst. Eerst bevestigden ze de integriteit van de DNA -frames en de vorming van materiaalvoxels door beeldvorming met elektronenmicroscopen in de CFN -elektronenmicroscopiefaciliteit en het Van Andel Institute, dat een reeks instrumenten heeft die werken bij cryogene temperaturen voor biologische monsters. Vervolgens onderzochten ze de 3D-roosterstructuren bij de coherente harde röntgenverstrooiing en complexe materialen verstrooiende bundellijnen van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-een ander DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor in Chemical Engineering Sanat Kumar en zijn groep voerden computationele modellering uit, waaruit bleek dat de experimenteel waargenomen roosterstructuren (gebaseerd op de röntgenverstrooiingspatronen) de meest thermodynamisch stabiele waren die de materiaalvoxels konden vormen.
"Deze materiële voxels stellen ons in staat om ideeën te gebruiken die zijn afgeleid van atomen (en moleculen) en de kristallen die ze vormen, en deze enorme kennis en database op nanoschaal te brengen," legde Kumar uit.
De studenten van de Gang in Columbia demonstreerden vervolgens hoe het assemblageplatform kon worden gebruikt om de organisatie van twee verschillende soorten materialen met chemische en optische functies te stimuleren. In één geval assembleerden ze twee enzymen samen, waardoor 3-D-arrays ontstonden met een hoge verpakkingsdichtheid. Hoewel de enzymen chemisch ongewijzigd bleven, vertoonden ze ongeveer een viervoudige toename van de enzymatische activiteit. Deze "nanoreactoren" kunnen worden gebruikt om cascade -reacties te manipuleren en de fabricage van chemisch actieve materialen mogelijk te maken. Voor de demonstratie van het optische materiaal, mengden ze twee verschillende kleuren van kwantumstippen - kleine nanokristallen die worden gebruikt om televisiedisplays te maken met een hoge kleurverzadiging en helderheid. Beelden vastgelegd met een fluorescentiemicroscoop toonden aan dat het gevormde rooster de kleurzuiverheid onder de diffractielimiet (golflengte) van licht handhaafde; Deze eigenschap kan een aanzienlijke verbetering van de resolutie mogelijk maken in verschillende display- en optische communicatietechnologieën.
"We moeten heroverwegen hoe materialen kunnen worden gevormd en hoe ze functioneren", zei Gang. "Materiaalherontwerp is mogelijk niet nodig; het eenvoudig verpakken van bestaande materialen op nieuwe manieren kan hun eigenschappen verbeteren. Potentieel kan ons platform een mogelijk maken van technologie 'buiten 3D-printproductie' om materialen te besturen op veel kleinere schalen op veel kleinere schalen en met een groter materiaal variëteit en ontworpen composities. Met behulp van dezelfde benadering van 3D-lattices van gewenste nano-objecten van verschillende materiaalklassen, kan een revolutie van een revolutie van verschillende materialen."
Materialen geleverd door DOE/Brookhaven National Laboratory. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.
Ontvang het laatste wetenschapsnieuws met de gratis e -mailnieuwsbrieven van ScienceDaily, dagelijks en wekelijks bijgewerkt. Of bekijk urenly bijgewerkte nieuwsfeeds in uw RSS -lezer:
Vertel ons wat u van Sciencedaily vindt - we verwelkomen zowel positieve als negatieve opmerkingen. Heeft u problemen met het gebruik van de site? Vragen?
Posttijd: Jan-14-2020