Oamenii de știință au dezvoltat o platformă pentru asamblarea componentelor de materiale nanodimensionate, sau „nano-obiecte”, de tipuri foarte diferite -- anorganice sau organice -- în structurile 3-D dorite. Deși auto-asamblarea (SA) a fost folosită cu succes pentru a organiza nanomateriale de mai multe tipuri, procesul a fost extrem de specific sistemului, generând structuri diferite bazate pe proprietățile intrinseci ale materialelor. După cum se raportează într-o lucrare publicată astăzi în Nature Materials, noua lor platformă de nanofabricare programabilă cu ADN poate fi aplicată pentru a organiza o varietate de materiale 3-D în aceleași moduri prescrise la scară nanometrică (miliardime de metru), unde optic, chimic unic , iar alte proprietăți apar.
„Unul dintre motivele majore pentru care SA nu este o tehnică de alegere pentru aplicațiile practice este că același proces SA nu poate fi aplicat într-o gamă largă de materiale pentru a crea matrice ordonate 3-D identice din diferite nanocomponente”, a explicat autorul corespondent Oleg Gang. , lider al Grupului de Nanomateriale Moale și Bio de la Centrul pentru Nanomateriale Funcționale (CFN) -- un Departamentul de Energie al SUA (DOE) Oficiul de Știință al Utilizatorilor de la Laboratorul Național Brookhaven - și profesor de inginerie chimică și de fizică aplicată și știința materialelor la Columbia Engineering. „Aici, am decuplat procesul SA de proprietățile materialelor prin proiectarea cadrelor ADN poliedrice rigide care pot încapsula diferite nano-obiecte anorganice 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 interiorul cadrelor sunt „brațe” ADN de care se pot lega doar nano-obiectele cu secvența ADN complementară. Acești voxeli materiale -- integrarea cadrului ADN și a nano-obiectului -- sunt blocurile de construcție din care pot fi făcute structuri 3-D la scară macro. Cadrele se conectează între ele, indiferent de ce fel de nano-obiect se află în interior (sau nu), în funcție de secvențele complementare cu care sunt codificate la vârfurile lor. În funcție de forma lor, cadrele au un număr diferit de vârfuri și formează astfel structuri complet diferite. Orice nano-obiecte găzduite în cadrul cadrelor iau acea structură specifică a cadrului.
Pentru a demonstra abordarea lor de asamblare, oamenii de știință au selectat nanoparticule metalice (aur) și semiconductoare (seleniră de cadmiu) și o proteină bacteriană (streptavidină) ca nano-obiecte anorganice și organice care urmează să fie plasate în cadrul cadrelor ADN. În primul rând, au confirmat integritatea cadrelor ADN și formarea voxelilor materiale prin imagistica cu microscoape electronice la CFN Electron Microscopy Facility și la Institutul Van Andel, care are o suită de instrumente care funcționează la temperaturi criogenice pentru probe biologice. Ei au testat apoi structurile 3-D de rețea la liniile de lumină Coerent Hard X-ray Scattering și Complex Materials Scattering ale Sursei Naționale de Lumină Sincrotron II (NSLS-II) -- un alt Oficiu de Știință al DOE de la Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Profesorul de inginerie chimică Sanat Kumar și grupul său au efectuat modelări computaționale, dezvăluind faptul că structurile reticulare observate experimental (pe baza modelelor de împrăștiere a razelor X) au fost cele mai stabile termodinamic pe care le-ar putea forma voxelii materialelor.
„Acești voxeli materiale ne permit să începem să folosim idei derivate din atomi (și molecule) și cristalele pe care le formează și să transferăm aceste cunoștințe și baze de date vaste către sisteme de interes la scară nanometrică”, a explicat Kumar.
Studenții lui Gang de la Columbia au demonstrat apoi cum platforma de asamblare ar putea fi utilizată pentru a conduce organizarea a două tipuri diferite de materiale cu funcții chimice și optice. Într-un caz, au co-asamblat două enzime, creând matrice 3-D cu o densitate mare de împachetare. Deși enzimele au rămas neschimbate din punct de vedere chimic, ele au arătat o creștere de aproximativ patru ori a activității enzimatice. Acești „nanoreactoare” ar putea fi folosiți pentru a manipula reacții în cascadă și pentru a permite fabricarea de materiale active chimic. Pentru demonstrația materialului optic, ei au amestecat două culori diferite de puncte cuantice -- nanocristale minuscule care sunt folosite pentru a face ecrane de televiziune cu saturație și luminozitate ridicate a culorilor. Imaginile capturate cu un microscop cu fluorescență 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 diferite tehnologii de afișare și comunicații optice.
„Trebuie să regândim modul în care materialele pot fi formate și modul în care funcționează”, a spus Gang. „Reproiectarea materialului poate să nu fie necesară; simpla ambalare a materialelor existente în moduri noi le-ar putea îmbunătăți proprietățile. În mod potențial, platforma noastră ar putea fi o tehnologie care să permită „dincolo de fabricarea prin imprimare 3-D” pentru a controla materialele la scară mult mai mică și cu o varietate mai mare de materiale și compoziții proiectate, folosind aceeași abordare pentru a forma rețele 3-D din nano-obiecte dorite din diferite clase de materiale, integrându-le pe cele care altfel ar fi considerate incompatibile. revoluționează nanoproducția.”
Materiale furnizate de DOE/Brookhaven National Laboratory. Notă: conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.
Obțineți cele mai recente știri științifice cu buletinele informative gratuite de la ScienceDaily, actualizate zilnic și săptămânal. Sau vizualizați fluxuri de știri actualizate din oră în cititorul dvs. RSS:
Spuneți-ne ce părere aveți despre ScienceDaily -- binevenim atât comentariile pozitive, cât și negative. Aveți probleme la utilizarea site-ului? Întrebări?
Ora postării: 14-ian-2020