Ученые разработали платформу для сборки наноразмерных материалов компонентов или «нано-объектов», очень разных типов-неорганических или органических-в желаемые трехмерные структуры. Хотя самосборка (SA) успешно использовалась для организации наноматериалов нескольких видов, процесс был чрезвычайно специфичным для системы, генерируя различные структуры, основанные на внутренних свойствах материалов. Как сообщается в статье, опубликованной сегодня в природах, их новая ДНК-программируемая нанопрограммная платформа может быть применена для организации различных трехмерных материалов одинаковым назначенным способом на наноразмерных (миллиарды метра), где появляются уникальные, химические и другие свойства.
«Одна из основных причин, по которым SA не является методикой выбора для практических применений, заключается в том, что один и тот же процесс SA не может быть применен в широком спектре материалов для создания идентичных трехмерных массивов из разных нанокомпонентов»,-объяснил соответствующий автор Oleg Gang, лидер мягких и биологических наноматериалов в отделе «Управление» (CFN)-в США. Брукхейвенская национальная лаборатория - и профессор химического машиностроения и прикладной физики и материаловедения в Columbia Engineering. «Здесь мы отделили процесс SA от свойств материала, разработав жесткие многогранные демо-кадры, которые могут инкапсулировать различные неорганические или органические нанообъекты, включая металлы, полупроводники, а также даже белки и ферменты».
Ученые разработали синтетические кадры ДНК в форме куба, октаэдрона и тетраэдра. Внутри рам есть ДНК «Руки», которые могут связываться только нано-объекты с дополнительной последовательности ДНК. Эти материальные воксели-интеграция рамы ДНК и нано-объекта-представляют собой строительные блоки, из которых могут быть сделаны макромасштабные трехмерные структуры. Кадры соединяются друг с другом независимо от того, какой нано-объект находится внутри (или нет) в соответствии с дополнительными последовательностями, с которыми они кодируются на своих вершин. В зависимости от их формы, кадры имеют разное количество вершин и, таким образом, формируют совершенно разные структуры. Любые нано-объекты, размещенные в рамках, принимают эту конкретную структуру кадра.
Чтобы продемонстрировать свой подход к сборке, ученые выбрали металлические (золотой) и полупроводниковые (кадмийский селенид) наночастицы и бактериальный белок (стрептавидин) в качестве неорганического и органического нано-объектов, которые будут размещены в рамах ДНК. Во -первых, они подтвердили целостность рамки ДНК и образование материальных вокселей путем визуализации электронными микроскопами на объекте электронной микроскопии CFN и Институтом Ван Анле, который имеет набор инструментов, которые работают при криогенных температурах для биологических образцов. Затем они исследовали трехмерные решетчатые структуры на когерентном жестком рентгеновском рассеянии и сложных материалах, рассеяющих линии лучевых линий национального синхротронного источника света II (NSLS-II)-другого пользовательского учреждения DOE USICE науки о Brookhaven Lab. Колумбийский инженерный профессор химического машиностроения в Колумбии и его группа выполнили вычислительное моделирование, показав, что экспериментально наблюдаемые структуры решетки (на основе рентгеновских рассеяния) были наиболее термодинамически стабильными, которые могли образовывать материальные воксели.
«Эти материальные воксели позволяют нам начать использовать идеи, полученные из атомов (и молекул), и кристаллов, которые они образуют, и переносят эти обширные знания и базу данных в системы, представляющие интерес в наноразмерном виде», - объяснил Кумар.
Затем студенты Ганги в Колумбии продемонстрировали, как платформа для сбора может быть использована для управления организацией двух различных видов материалов с химическими и оптическими функциями. В одном случае они составили два фермента, создавая трехмерные массивы с высокой плотностью упаковки. Хотя ферменты оставались химически неизменными, они показали примерно четырехкратное увеличение ферментативной активности. Эти «нанореакторы» можно использовать для манипулирования каскадными реакциями и обеспечения изготовления химически активных материалов. Для демонстрации оптического материала они смешали два разных цвета квантовых точек - крошечные нанокристаллы, которые используются для создания телевизионных дисплеев с высоким цветом насыщением и яркости. Изображения, полученные флуоресцентным микроскопом, показали, что образованная решетка поддерживала чистоту цвета ниже дифракционного предела (длина волны) света; Это свойство может позволить значительное улучшение разрешения в различных технологиях дисплея и оптической связи.
«Нам нужно переосмыслить, как можно сформировать материалы и как они функционируют», - сказала Ганг. «Можно-перепроектирование может не потребоваться; простая упаковка существующих материалов по-новому может улучшить их свойства. Потенциально, наша платформа может быть обеспечивающей технологией« за пределами трехмерного производства печати »для управления материалами в гораздо меньших масштабах и с большим разнообразием материала и разработанным композициям. Использование того же подхода для формирования трехмерных строительных слоев из желаемых нано-абонентов различных материалов, интегрирующих, которые будут рассматриваться в противном случае, которые могут рассматриваться в противном случае.
Материалы, предоставленные Доу/Брукхейвенской Национальной лабораторией. Примечание. Контент может быть отредактирован для стиля и длины.
Получите последние новости Science с бесплатными рассылками по электронной почте ScienceDaily, обновляются ежедневно и еженедельно. Или просмотреть почасовые обновленные новостные ленты в вашем читателе RSS:
Расскажите нам, что вы думаете о ScienceDaily - мы приветствуем как положительные, так и негативные комментарии. Есть проблемы с использованием сайта? Вопросы?
Время поста: 14-2020