Os cientistas desenvolveram uma plataforma para montar componentes de materiais nanosizados, ou "nano-objetos", de tipos muito diferentes-inorgânicos ou orgânicos-nas estruturas 3D desejadas. Embora a auto-montagem (SA) tenha sido usada com sucesso para organizar nanomateriais de vários tipos, o processo tem sido extremamente específico do sistema, gerando estruturas diferentes com base nas propriedades intrínsecas dos materiais. Conforme relatado em um artigo publicado hoje na Nature Materials, sua nova plataforma de nanofabricação programável em DNA pode ser aplicada para organizar uma variedade de materiais 3D da mesma maneira prescrita na nanoescala (bilionésimos de um metro), onde emergem as propriedades ópticas, químicas e outras propriedades.
"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 Laboratório Nacional - e professor de engenharia química e ciência da física e materiais aplicados na Columbia Engineering. "Aqui, dissociamos o processo SA das propriedades do material, projetando quadros de DNA poliédrico rígidos que podem encapsular vários nano-objetos inorgânicos ou orgânicos, incluindo metais, semicondutores e pares de proteínas e enzimas".
Os cientistas projetaram quadros de DNA sintético na forma de um cubo, octaedro e tetraedro. Dentro dos quadros estão os "braços" de DNA que apenas nano-objetos com a sequência de DNA complementares podem se ligar. Esses voxels de material-a integração do quadro de DNA e do nano-objeto-são os blocos de construção a partir dos quais podem ser feitos estruturas 3D macroescala. Os quadros se conectam, independentemente de que tipo de nano-objeto está dentro (ou não) de acordo com as seqüências complementares com as quais são codificadas em seus vértices. Dependendo da sua forma, os quadros têm um número diferente de vértices e, portanto, formam estruturas totalmente diferentes. Quaisquer nano-objetos hospedados dentro dos quadros assumem essa estrutura específica de quadros.
Para demonstrar sua abordagem de montagem, os cientistas selecionaram nanopartículas metálicas (ouro) e semicondutora (seleneto de cádmio) e uma proteína bacteriana (estreptavidina) como os nano-objetos inorgânicos e orgânicos a serem colocados dentro dos quadros de DNA. Primeiro, eles confirmaram a integridade dos quadros de DNA e a formação de voxels de material por imagem com microscópios eletrônicos na instalação de microscopia eletrônica CFN e no Instituto Van Andel, que possui um conjunto de instrumentos que operam em temperaturas criogênicas para amostras biológicas. Eles então investigaram as estruturas de treliça 3D nas linhas coerentes de espalhamento de raios-X e materiais complexos da Linhas de Luz de Luz II (NSLS-II)-outro escritório de usuários de Usuário de Ciências do DOE em Brookhaven Lab. A Engenharia de Columbia, Bykhovsky, Professor de Engenharia Química Sanat Kumar e seu grupo realizaram modelagem computacional, revelando que as estruturas de treliça observadas experimentalmente (com base nos padrões de espalhamento de raios-X) eram os mais termodinamicamente estáveis que os voxels do material poderiam formar.
"Esses voxels materiais nos permitem começar a usar idéias derivadas de átomos (e moléculas) e os cristais que formam, e portar esse vasto conhecimento e banco de dados para sistemas de interesse na nanoescala", explicou Kumar.
Os alunos de Gang em Columbia demonstraram como a plataforma de montagem poderia ser usada para impulsionar a organização de dois tipos diferentes de materiais com funções químicas e ópticas. Em um caso, eles co-montaram duas enzimas, criando matrizes 3D com uma alta densidade de embalagem. Embora as enzimas permanecessem quimicamente inalteradas, elas mostraram um aumento de quatro vezes na atividade enzimática. Esses "nanorreactores" podem ser usados para manipular reações em cascata e permitir a fabricação de materiais quimicamente ativos. Para a demonstração do material óptico, eles misturaram duas cores diferentes de pontos quânticos - nanocristais minúsculos que estão sendo usados para fazer exibições de televisão com alta saturação e brilho. As imagens capturadas com um microscópio de fluorescência mostraram que a treliça formada mantinha a pureza da cor abaixo do limite de difração (comprimento de onda) da luz; Essa propriedade pode permitir uma melhoria significativa da resolução em várias tecnologias de exibição e comunicação óptica.
"Precisamos repensar como os materiais podem ser formados e como eles funcionam", disse Gang. "O redesenho do material pode não ser necessário; simplesmente empacotar os materiais existentes de novas maneiras pode aprimorar suas propriedades. Potencialmente, nossa plataforma pode ser uma tecnologia habilitadora 'além da fabricação de impressão em 3D' para controlar materiais em escalas muito menores e com maiores variedades de material e composições projetadas. nanomanufacturing. "
Materiais fornecidos pelo Laboratório Nacional Doe/Brookhaven. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e comprimento.
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Hora de postagem: janeiro-14-2020