Oamenii de știință au dezvoltat o platformă pentru asamblarea componentelor materiale nanosizate sau „nano-obiecte”, de tipuri foarte diferite-anorganice sau organice-în structurile 3-D dorite. Deși auto-asamblarea (SA) a fost utilizată cu succes pentru organizarea nanomaterialelor de mai multe tipuri, procesul a fost extrem de specific sistemului, generând diferite structuri bazate pe proprietățile intrinseci ale materialelor. Așa cum s-a raportat într-o lucrare publicată astăzi în Nature Materials, noua lor platformă de nanofabricare programabilă ADN poate fi aplicată pentru a organiza o varietate de materiale 3-D în aceleași moduri prescrise la nano-scală (miliarde de metri), unde apar unice optice, chimice și alte proprietăți.
"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 Laborator - și profesor de inginerie chimică și de fizică aplicată și știință a materialelor la Columbia Engineering. "Aici, am decuplat procesul SA din proprietățile materialului prin proiectarea unor rame de ADN poliedrale rigide care pot încapsula diverse nano-obiecte organice sau organice, inclusiv metale, semiconductori și chiar proteine și enzime."
Oamenii de știință au conceput cadre ADN sintetice în formă de cub, octaedru și tetraedru. În cadrul cadrelor se află „brațele” ADN-ului la care numai nano-obiectele cu secvența de ADN complementară se pot lega. Aceste voxeluri materiale-integrarea cadrului ADN și a nano-obiectului-sunt blocurile de construcție din care se pot face structuri macrocale 3-D. Cadrele se conectează între ele, indiferent de tipul de nano-obiect în interior (sau nu) în conformitate cu secvențele complementare cu care sunt codificate la vârfurile lor. În funcție de forma lor, cadrele au un număr diferit de vârfuri și astfel se formează structuri complet diferite. Orice nano-obiecte găzduite în cadrul cadrelor preiau acea structură de cadru specifică.
Pentru a-și demonstra abordarea de asamblare, oamenii de știință au selectat nanoparticule metalice (aur) și semiconductoare (selenidă de cadmiu) și o proteină bacteriană (streptavidină) ca nano-objecte anorganice și organice care trebuie plasate în cadrul ADN-ului. În primul rând, au confirmat integritatea cadrelor ADN și formarea voxelurilor materiale prin imagistica cu microscopuri electronice la instalația de microscopie electronică CFN și Institutul Van Andel, care are o suită de instrumente care funcționează la temperaturi criogene pentru probe biologice. Apoi au sondat structurile de zăbrele 3-D la împrăștierea coerentă a razelor X și a materialelor complexe de împrăștiere a Beaminelor National Synchrotron Light Sursa II (NSLS-II)-un alt birou al Facilității de utilizator științific DOE de la Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky profesor de inginerie chimică Sanat Kumar și grupul său au efectuat modelări de calcul, dezvăluind că structurile de zăbrele observate experimental (bazate pe modelele de împrăștiere a razelor X) au fost cele mai stabile termodinamic pe care le-ar putea forma voxelele materiale.
„Aceste voxeluri materiale ne permit să începem să folosim idei derivate din atomi (și molecule) și cristalele pe care le formează și portând această vastă cunoștințe și baza de date către sisteme de interes la nano -scală”, a explicat Kumar.
Studenții Gang de la Columbia au demonstrat apoi modul în care platforma de asamblare ar putea fi folosită pentru a conduce organizarea a două tipuri diferite de materiale cu funcții chimice și optice. Într-un caz, au co-asamblat două enzime, creând tablouri 3-D cu o densitate ridicată de ambalare. Deși enzimele au rămas neschimbate din punct de vedere chimic, acestea au arătat o creștere de patru ori a activității enzimatice. Aceste „nanoreactorii” ar putea fi utilizate pentru a manipula reacțiile în cascadă și pentru a permite fabricarea materialelor active din punct de vedere chimic. Pentru demonstrația de material optic, au amestecat două culori diferite de puncte cuantice - nanocristale minuscule care sunt utilizate pentru a face afișaje de televiziune cu saturație și luminozitate ridicată a culorilor. Imaginile capturate cu un microscop fluorescent au arătat că rețeaua formată a menținut puritatea culorii sub limita de difracție (lungimea de undă) a luminii; Această proprietate ar putea permite o îmbunătățire semnificativă a rezoluției în diverse tehnologii de afișare și comunicare optică.
„Trebuie să ne regândim modul în care se pot forma materialele și cum funcționează”, a spus Gang. „Rezistența materială poate să nu fie necesară; pur și simplu ambalarea materialelor existente în moduri noi și-ar putea îmbunătăți proprietățile. Potențial, platforma noastră ar putea fi o tehnologie care să permită„ dincolo de fabricația de imprimare în 3-D ”pentru a controla materialele la scară mult mai mică și cu o varietate materială mai mare și compoziții proiectate. Utilizarea aceleiași abordări pentru a forma rețelele 3-D din nano-objecturi dorite, ar putea revoluționa nonumanul de materiale.
Materiale furnizate de Laboratorul Național DOE/Brookhaven. Notă: Conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.
Obțineți cele mai recente știri științifice cu buletinele de e -mail gratuite ale Sciencedaily, actualizate zilnic și săptămânal. Sau vizualizați știri actualizate pe oră în cititorul dvs. RSS:
Spune -ne ce părere ai despre ScienceDaily - salutăm atât comentarii pozitive, cât și negative. Aveți probleme cu utilizarea site -ului? Întrebări?
Ora post: 14-2020 ianuarie