Forskere har utviklet en plattform for å sette sammen nanosiserte materialkomponenter, eller "nano-objekter", av veldig forskjellige typer-uorganiske eller organiske-til ønsket 3D-strukturer. Selv om selvmontering (SA) med hell har blitt brukt til å organisere nanomaterialer av flere slag, har prosessen vært ekstremt systemspesifikk, og generert forskjellige strukturer basert på materialets iboende egenskaper. Som rapportert i et papir publisert i dag i Nature Materials, kan deres nye DNA-programmerbare nanofabrikasjonsplattform brukes for å organisere en rekke 3D-materialer på de samme foreskrevne måtene på nanoskalaen (milliarddeler av en meter), der unike optiske, kjemiske og andre egenskaper dukker opp.
"En av de viktigste årsakene til at SA ikke er en valgteknikk for praktiske anvendelser, er at den samme SA-prosessen ikke kan brukes på tvers av et bredt spekter av materialer for å lage identiske 3-D bestilte matriser fra forskjellige nanokomponenter," forklarte tilsvarende forfatter Oleg Gang, leder for Soft og Bio Nanomaterials Group på Senter for funksjonell nanomaterial (CFN) A Us Department (Ce. Assy (CeNt)-BioNty) Nasjonalt laboratorium - og professor i kjemisk ingeniørvitenskap og anvendt fysikk og materialvitenskap ved Columbia Engineering. "Her koblet vi fra SA-prosessen fra materialegenskaper ved å designe stive polyhedrale DNA-rammer som kan innkapsler forskjellige uorganiske eller organiske nano-objekter, inkludert metaller, halvledere og til og med proteiner og enzymer."
Forskerne konstruerte syntetiske DNA -rammer i form av en kube, oktaedron og tetrahedron. Inne i rammene er DNA "armer" som bare nano-objekter med den komplementære DNA-sekvensen kan binde seg til. Disse materialet voxels-integrasjonen av DNA-rammen og nano-objektet-er byggesteinene som makroskala 3-D-strukturer kan lages fra. Rammene kobles til hverandre uavhengig av hva slags nano-objekt som er inni (eller ikke) i henhold til de komplementære sekvensene de er kodet med ved hjørnene. Avhengig av formen har rammer et annet antall hjørner og danner dermed helt forskjellige strukturer. Eventuelle nano-objekter som er vert i rammene, tar på seg den spesifikke rammestrukturen.
For å demonstrere sin monteringstilnærming valgte forskerne metallisk (gull) og halvledende (kadmiumselenid) nanopartikler og et bakteriell protein (streptavidin) som de uorganiske og organiske nano-objekter som skal plasseres inne i DNA-rammene. Først bekreftet de integriteten til DNA -rammene og dannelsen av materialvoxels ved avbildning med elektronmikroskop ved CFN -elektronmikroskopi -anlegget og Van Andel Institute, som har en pakke med instrumenter som fungerer ved kryogene temperaturer for biologiske prøver. De sonderte deretter 3-D gitterstrukturer ved den sammenhengende harde røntgenspredningen og komplekse materialer som spredte strålelinjer av National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et annet DOE Office of Science User Facility at Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky professor i kjemisk ingeniør Sanat Kumar og hans gruppe utførte beregningsmodellering som avslørte at de eksperimentelt observerte gitterstrukturene (basert på røntgenspredningsmønstrene) var de mest termodynamisk stabile som de materielle voxels kunne danne.
"Disse materielle voxels lar oss begynne å bruke ideer avledet fra atomer (og molekyler) og krystallene de danner, og port denne enorme kunnskapen og databasen til systemer av interesse ved nanoskalaen," forklarte Kumar.
Gangs studenter ved Columbia demonstrerte da hvordan monteringsplattformen kunne brukes til å drive organisering av to forskjellige typer materialer med kjemiske og optiske funksjoner. I ett tilfelle sammenkoblet de to enzymer, og skapte 3-D-matriser med en høy pakketetthet. Selv om enzymene forble kjemisk uendret, viste de omtrent en firedoblet økning i enzymatisk aktivitet. Disse "nanoreaktorene" kan brukes til å manipulere kaskadereaksjoner og muliggjøre fremstilling av kjemisk aktive materialer. For den optiske materialdemonstrasjonen blandet de to forskjellige farger av kvanteprikker - bittesmå nanokrystaller som brukes til å lage TV -skjermer med høy farge metning og lysstyrke. Bilder tatt med et fluorescensmikroskop viste at det dannede gitteret opprettholdt fargens renhet under diffraksjonsgrensen (bølgelengden) til lys; Denne egenskapen kan gi mulighet for betydelig oppløsningsforbedring i forskjellige visnings- og optiske kommunikasjonsteknologier.
"Vi må tenke nytt om hvordan materialer kan dannes og hvordan de fungerer," sa Gang. Materiell redesign er kanskje ikke nødvendig; bare å pakke eksisterende materialer på nye måter kan forbedre egenskapene sine. Potensielt kan plattformen vår være en muliggjørende teknologi 'utover 3D-utskriftsproduksjon' for å kontrollere materialer i mye mindre skalaer og med større materialsortion og designe komposisjoner. Å bruke den samme tilnærmingen til å danne 3-D-lattes fra ønsket Nano-objekt av forskjellige materialklasser som er integrert som integrering av dem som er integrert.
Materialer levert av DOE/Brookhaven National Laboratory. Merk: Innhold kan redigeres for stil og lengde.
Få de siste vitenskapsnyhetene med ScienceDailys gratis nyhetsbrev, oppdatert daglig og ukentlig. Eller se timeoppdaterte nyhetsfeeds i RSS -leseren din:
Fortell oss hva du synes om ScienceDaily - vi ønsker både positive og negative kommentarer velkommen. Har du noen problemer med å bruke nettstedet? Spørsmål?
Post Time: Jan-14-2020