Vedci vyvinuli platformu na zostavovanie nanorozmerných materiálových komponentov alebo "nanoobjektov" veľmi odlišných typov - anorganických alebo organických - do požadovaných 3-D štruktúr. Aj keď sa samo-zostavenie (SA) úspešne použilo na organizáciu nanomateriálov niekoľkých druhov, proces bol mimoriadne špecifický pre systém a generoval rôzne štruktúry založené na vnútorných vlastnostiach materiálov. Ako sa uvádza v článku publikovanom dnes v Nature Materials, ich nová platforma nanofabrikácie s programovateľnou DNA môže byť použitá na organizáciu rôznych 3-D materiálov rovnakými predpísanými spôsobmi v nanomierke (miliardtiny metra), kde sú jedinečné optické, chemické a objavia sa ďalšie vlastnosti.
„Jedným z hlavných dôvodov, prečo SA nie je technika voľby pre praktické aplikácie, je to, že rovnaký proces SA nemožno aplikovať na širokú škálu materiálov na vytvorenie identických 3-D usporiadaných polí z rôznych nanokomponentov,“ vysvetlil zodpovedajúci autor Oleg Gang. , vedúci skupiny mäkkých a bio nanomateriálov v Centre pre funkčné nanomateriály (CFN) – používateľské zariadenie Úradu pre vedu Ministerstva energetiky USA (DOE) v Národnom laboratóriu Brookhaven – a profesor Chemické inžinierstvo a aplikovaná fyzika a veda o materiáloch v Columbia Engineering. "Tu sme oddelili proces SA od materiálových vlastností tým, že sme navrhli pevné polyhedrálne rámy DNA, ktoré môžu zapuzdriť rôzne anorganické alebo organické nano-objekty vrátane kovov, polovodičov a dokonca aj proteínov a enzýmov."
Vedci vytvorili syntetické rámce DNA v tvare kocky, osemstenu a štvorstenu. Vo vnútri rámov sú „ramená“ DNA, na ktoré sa môžu viazať iba nanoobjekty s komplementárnou sekvenciou DNA. Tieto materiálne voxely - integrácia rámca DNA a nano-objektu - sú stavebnými kameňmi, z ktorých možno vytvárať 3D štruktúry v makroškále. Rámce sa navzájom spájajú bez ohľadu na to, aký druh nanoobjektu je vo vnútri (alebo nie) podľa komplementárnych sekvencií, ktorými sú zakódované vo svojich vrcholoch. Rámy majú v závislosti od svojho tvaru rôzny počet vrcholov a tvoria tak úplne odlišné štruktúry. Akékoľvek nanoobjekty umiestnené vo vnútri rámov preberajú túto špecifickú štruktúru rámu.
Na demonštráciu svojho montážneho prístupu vedci vybrali kovové (zlato) a polovodivé (selenid kadmia) nanočastice a bakteriálny proteín (streptavidín) ako anorganické a organické nanoobjekty, ktoré sa umiestnia do rámov DNA. Najprv potvrdili integritu rámcov DNA a tvorbu materiálových voxelov zobrazovaním pomocou elektrónových mikroskopov v zariadení CFN Electron Microscopy Facility a Van Andel Institute, ktorý má sadu nástrojov, ktoré fungujú pri kryogénnych teplotách pre biologické vzorky. Potom sondovali 3-D mriežkové štruktúry na lúčoch koherentného tvrdého röntgenového rozptylu a rozptylu komplexných materiálov národného synchrotrónového svetelného zdroja II (NSLS-II) - ďalšieho používateľského zariadenia DOE Office of Science v Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky profesor chemického inžinierstva Sanat Kumar a jeho skupina vykonali výpočtové modelovanie, ktoré odhalilo, že experimentálne pozorované mriežkové štruktúry (založené na vzorcoch rozptylu röntgenového žiarenia) boli termodynamicky najstabilnejšie, aké mohli materiálové voxely vytvoriť.
"Tieto materiálne voxely nám umožňujú začať používať myšlienky odvodené z atómov (a molekúl) a kryštálov, ktoré tvoria, a preniesť tieto rozsiahle poznatky a databázu do systémov záujmu v nanoúrovni, " vysvetlil Kumar.
Študenti Gangu v Kolumbii potom ukázali, ako by sa montážna platforma dala použiť na riadenie organizácie dvoch rôznych druhov materiálov s chemickými a optickými funkciami. V jednom prípade spoločne zostavili dva enzýmy, čím vytvorili 3-D polia s vysokou hustotou balenia. Hoci enzýmy zostali chemicky nezmenené, vykazovali asi štvornásobné zvýšenie enzymatickej aktivity. Tieto "nanoreaktory" by sa mohli použiť na manipuláciu kaskádových reakcií a na umožnenie výroby chemicky aktívnych materiálov. Na demonštráciu optického materiálu zmiešali dve rôzne farby kvantových bodov - drobné nanokryštály, ktoré sa používajú na výrobu televíznych obrazoviek s vysokou sýtosťou farieb a jasom. Snímky zachytené fluorescenčným mikroskopom ukázali, že vytvorená mriežka si zachovala čistotu farieb pod hranicou difrakcie (vlnová dĺžka) svetla; táto vlastnosť by mohla umožniť výrazné zlepšenie rozlíšenia v rôznych zobrazovacích a optických komunikačných technológiách.
"Musíme prehodnotiť, ako môžu byť materiály formované a ako fungujú," povedal Gang. "Prepracovanie materiálu nemusí byť potrebné; jednoduché zabalenie existujúcich materiálov novými spôsobmi by mohlo zlepšiť ich vlastnosti. Potenciálne by naša platforma mohla byť podpornou technológiou "nad rámec výroby 3-D tlače" na kontrolu materiálov v oveľa menších mierkach a s väčšou rozmanitosťou materiálov a Navrhnuté kompozície pomocou rovnakého prístupu na vytváranie 3-D mriežok z požadovaných nanoobjektov rôznych tried materiálov, integrovaním tých, ktoré by sa inak považovali za nekompatibilné, by mohlo spôsobiť revolúciu vo výrobe nanomateriálov.
Materiály poskytnuté DOE/Brookhaven National Laboratory. Poznámka: Štýl a dĺžku obsahu možno upraviť.
Získajte najnovšie vedecké správy pomocou bezplatných e-mailových bulletinov ScienceDaily, ktoré sa aktualizujú denne a týždenne. Alebo si prezrite každú hodinu aktualizované informačné kanály vo vašej čítačke RSS:
Povedzte nám, čo si myslíte o ScienceDaily – vítame pozitívne aj negatívne komentáre. Máte nejaké problémy s používaním stránky? otázky?
Čas odoslania: 14. januára 2020