Naukowcy opracowali platformę do składania nano komponentów materiałowych, czyli „nanoobiektów”, bardzo różnych typów – nieorganicznych i organicznych – w pożądane struktury trójwymiarowe. Chociaż samoorganizację (SA) z powodzeniem zastosowano do organizowania kilku rodzajów nanomateriałów, proces ten był niezwykle specyficzny dla systemu i generował różne struktury w oparciu o wewnętrzne właściwości materiałów. Jak podano w artykule opublikowanym dzisiaj w Nature Materials, ich nową platformę do nanofabrykacji programowalną za pomocą DNA można zastosować do organizowania różnych materiałów 3D w ten sam zalecany sposób w nanoskali (miliardowe części metra), gdzie unikalne właściwości optyczne, chemiczne i pojawiają się inne właściwości.
„Jednym z głównych powodów, dla których SA nie jest techniką z wyboru do zastosowań praktycznych, jest to, że tego samego procesu SA nie można zastosować do szerokiej gamy materiałów w celu utworzenia identycznych uporządkowanych trójwymiarowych układów z różnych nanokomponentów” – wyjaśnił korespondent Oleg Gang , lider Grupy ds. Nanomateriałów Miękkich i Bio w Centrum Funkcjonalnych Nanomateriałów (CFN) – Biura ds. Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) w Brookhaven National Laboratory – oraz profesor inżynierii chemicznej i Fizyki Stosowanej i Nauki o Materiałach w Columbia Engineering. „W tym przypadku oddzieliliśmy proces SA od właściwości materiału, projektując sztywne wielościenne ramki DNA, które mogą otaczać różne nieorganiczne lub organiczne nanoobiekty, w tym metale, półprzewodniki, a nawet białka i enzymy”.
Naukowcy opracowali syntetyczne ramki DNA w kształcie sześcianu, ośmiościanu i czworościanu. Wewnątrz ramek znajdują się „ramiona” DNA, z którymi mogą się wiązać jedynie nanoobiekty o komplementarnej sekwencji DNA. Te materialne woksele – połączenie ramki DNA i nanoobiektu – stanowią elementy składowe, z których można tworzyć trójwymiarowe struktury w makroskali. Ramki łączą się ze sobą niezależnie od tego, jakiego rodzaju nanoobiekt znajduje się w środku (czy nie), zgodnie z komplementarnymi sekwencjami, za pomocą których są zakodowane na swoich wierzchołkach. Ramy w zależności od kształtu mają różną liczbę wierzchołków i tym samym tworzą zupełnie inne struktury. Wszelkie nanoobiekty znajdujące się wewnątrz ramek przyjmują tę specyficzną strukturę ramki.
Aby zademonstrować swoje podejście do składania, naukowcy wybrali nanocząstki metaliczne (złoto) i półprzewodnikowe (selenek kadmu) oraz białko bakteryjne (streptawidyna) jako nieorganiczne i organiczne nanoobiekty do umieszczenia wewnątrz ramek DNA. Najpierw potwierdzili integralność ramek DNA i powstawanie wokseli materialnych poprzez obrazowanie za pomocą mikroskopów elektronowych w ośrodku mikroskopii elektronowej CFN i instytucie Van Andel, który dysponuje zestawem instrumentów działających w temperaturach kriogenicznych w przypadku próbek biologicznych. Następnie zbadali trójwymiarowe struktury kratowe w liniach promieni Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering w Narodowym Synchrotronowym Źródle Światła II (NSLS-II) – kolejnym obiekcie użytkownika Biura Nauki DOE w laboratorium Brookhaven. Columbia Engineering Bykhovsky, profesor inżynierii chemicznej Sanat Kumar i jego grupa przeprowadzili modelowanie obliczeniowe, ujawniając, że zaobserwowane eksperymentalnie struktury kratowe (w oparciu o wzorce rozpraszania promieni rentgenowskich) były najbardziej stabilnymi termodynamicznie, jakie mogą utworzyć woksele materiałowe.
„Te materialne woksele pozwalają nam zacząć wykorzystywać pomysły wywodzące się z atomów (i cząsteczek) i kryształów, które tworzą, a także przenosić tę ogromną wiedzę i bazę danych do interesujących systemów w nanoskali” – wyjaśnił Kumar.
Następnie uczniowie Ganga z Columbii zademonstrowali, w jaki sposób można wykorzystać platformę montażową do kierowania organizacją dwóch różnych rodzajów materiałów o funkcjach chemicznych i optycznych. W jednym przypadku połączyli dwa enzymy, tworząc trójwymiarowe macierze o dużej gęstości upakowania. Chociaż enzymy pozostały niezmienione chemicznie, wykazywały około czterokrotny wzrost aktywności enzymatycznej. Te „nanoreaktory” można wykorzystać do manipulowania reakcjami kaskadowymi i umożliwienia wytwarzania materiałów aktywnych chemicznie. Do demonstracji materiału optycznego zmieszali kropki kwantowe o dwóch różnych kolorach – maleńkie nanokryształy używane do tworzenia wyświetlaczy telewizyjnych o wysokim nasyceniu kolorów i jasności. Obrazy zarejestrowane za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego wykazały, że utworzona siatka zachowała czystość kolorów poniżej granicy dyfrakcji (długości fali) światła; ta właściwość może pozwolić na znaczną poprawę rozdzielczości w różnych technologiach wyświetlania i komunikacji optycznej.
„Musimy ponownie przemyśleć, w jaki sposób można formować materiały i jak one funkcjonują” – powiedział Gang. „Przeprojektowanie materiałów może nie być konieczne; samo pakowanie istniejących materiałów na nowe sposoby mogłoby poprawić ich właściwości. Potencjalnie nasza platforma może być technologią wspomagającą „wykraczającą poza produkcję druku 3D”, umożliwiającą kontrolę materiałów na znacznie mniejszą skalę i przy większej różnorodności materiałów zaprojektowanych kompozycji. Zastosowanie tego samego podejścia do tworzenia trójwymiarowych sieci z pożądanych nanoobiektów z różnych klas materiałów, integrując te, które w innym przypadku zostałyby uznane za niezgodne, mogłoby zrewolucjonizować nanoprodukcję”.
Materiały dostarczone przez DOE/Brookhaven National Laboratory. Uwaga: treść może być edytowana pod względem stylu i długości.
Otrzymuj najnowsze wiadomości naukowe dzięki bezpłatnym biuletynom e-mailowym ScienceDaily, aktualizowanym codziennie i co tydzień. Lub przeglądaj co godzinę aktualizowane kanały informacyjne w swoim czytniku RSS:
Podziel się z nami swoją opinią o ScienceDaily — jesteśmy otwarci zarówno na pozytywne, jak i negatywne komentarze. Masz problemy z korzystaniem z serwisu? Pytania?
Czas publikacji: 14 stycznia 2020 r