Os cientistas desenvolveram uma plataforma para montar componentes de materiais nanométricos, ou "nano-objetos", de tipos muito diferentes - inorgânicos ou orgânicos - em estruturas 3-D desejadas. Embora a automontagem (SA) tenha sido usada com sucesso para organizar nanomateriais de diversos tipos, o processo tem sido extremamente específico do sistema, gerando diferentes estruturas com base nas propriedades intrínsecas dos materiais. Conforme relatado em um artigo publicado hoje na Nature Materials, sua nova plataforma de nanofabricação programável por DNA pode ser aplicada para organizar uma variedade de materiais 3-D nas mesmas formas prescritas em nanoescala (bilionésimos de metro), onde soluções ópticas, químicas únicas , e outras propriedades emergem.
"Uma das principais razões pelas quais o SA não é uma técnica de escolha para aplicações práticas é que o mesmo processo SA não pode ser aplicado em uma ampla gama de materiais para criar matrizes ordenadas 3-D idênticas a partir de diferentes nanocomponentes, "explicou o autor correspondente Oleg Gang , líder do Grupo de Nanomateriais Suaves e Bio no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) - uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven - e professor de Engenharia Química e de Física Aplicada e Ciência de Materiais na Columbia Engineering. "Aqui, dissociamos o processo SA das propriedades do material, projetando estruturas rígidas de DNA poliédrico que podem encapsular vários nano-objetos inorgânicos ou orgânicos, incluindo metais, semicondutores e até proteínas e enzimas."
Os cientistas projetaram estruturas de DNA sintético na forma de cubo, octaedro e tetraedro. Dentro das molduras estão “braços” de DNA aos quais apenas nano-objetos com a sequência de DNA complementar podem se ligar. Esses voxels materiais – a integração da estrutura do DNA e do nanoobjeto – são os blocos de construção a partir dos quais estruturas 3-D em macroescala podem ser feitas. Os quadros se conectam entre si independentemente do tipo de nanoobjeto que está dentro (ou não) de acordo com as sequências complementares com as quais são codificados em seus vértices. Dependendo da sua forma, os quadros têm um número diferente de vértices e, portanto, formam estruturas totalmente diferentes. Quaisquer nanoobjetos hospedados dentro dos quadros assumem essa estrutura de quadro específica.
Para demonstrar sua abordagem de montagem, os cientistas selecionaram nanopartículas metálicas (ouro) e semicondutoras (selenieto de cádmio) e uma proteína bacteriana (estreptavidina) como nanoobjetos inorgânicos e orgânicos a serem colocados dentro das estruturas de DNA. Primeiro, eles confirmaram a integridade das estruturas de DNA e a formação de voxels de material por meio de imagens com microscópios eletrônicos no CFN Electron Microscopy Facility e no Van Andel Institute, que possui um conjunto de instrumentos que operam em temperaturas criogênicas para amostras biológicas. Eles então sondaram as estruturas de rede 3-D nas linhas de luz Coherent Hard X-ray Scattering e Complex Materials Scattering da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - outra instalação do usuário do DOE Office of Science no Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky, professor de engenharia química, Sanat Kumar e seu grupo realizaram modelagem computacional revelando que as estruturas de rede observadas experimentalmente (com base nos padrões de espalhamento de raios X) eram as mais termodinamicamente estáveis que os voxels de material poderiam formar.
“Esses voxels materiais nos permitem começar a usar ideias derivadas de átomos (e moléculas) e dos cristais que eles formam, e transportar esse vasto conhecimento e banco de dados para sistemas de interesse em nanoescala”, explicou Kumar.
Os alunos de Gang em Columbia demonstraram então como a plataforma de montagem poderia ser usada para conduzir a organização de dois tipos diferentes de materiais com funções químicas e ópticas. Em um caso, eles montaram duas enzimas, criando matrizes 3-D com alta densidade de empacotamento. Embora as enzimas permanecessem quimicamente inalteradas, elas mostraram um aumento de cerca de quatro vezes na atividade enzimática. Esses "nanorreatores" poderiam 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 – minúsculos nanocristais que estão sendo usados para fazer telas de televisão com alta saturação de cores e brilho. Imagens capturadas com microscópio de fluorescência mostraram que a rede formada manteve a pureza da cor abaixo do limite de difração (comprimento de onda) da luz; esta propriedade poderia permitir uma melhoria significativa na resolução em várias tecnologias de exibição e comunicação óptica.
“Precisamos repensar como os materiais podem ser formados e como funcionam”, disse Gang. "O redesenho de materiais pode não ser necessário; simplesmente embalar materiais existentes de novas maneiras poderia melhorar suas propriedades. Potencialmente, nossa plataforma poderia ser uma tecnologia capacitadora 'além da fabricação por impressão 3-D' para controlar materiais em escalas muito menores e com maior variedade de materiais e composições projetadas. Usar a mesma abordagem para formar redes 3-D a partir de nano-objetos desejados de diferentes classes de materiais, integrando aqueles que de outra forma seriam considerados incompatíveis, poderia revolucionar a nanofabricação.
Materiais fornecidos pelo DOE/Brookhaven National Laboratory. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
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Horário da postagem: 14 de janeiro de 2020