Forskare har utvecklat en plattform för att sätta samman materialkomponenter i nanostorlek, eller "nanoobjekt", av mycket olika typer - oorganiska eller organiska - till önskade 3D-strukturer. Även om självmontering (SA) framgångsrikt har använts för att organisera nanomaterial av flera slag, har processen varit extremt systemspecifik och genererat olika strukturer baserat på materialens inneboende egenskaper. Som rapporterats i en artikel publicerad idag i Nature Materials, kan deras nya DNA-programmerbara nanotillverkningsplattform användas för att organisera en mängd olika 3D-material på samma föreskrivna sätt i nanoskala (miljarddelar av en meter), där unika optiska, kemiska , och andra egenskaper dyker upp.
"En av de viktigaste anledningarna till att SA inte är en valteknik för praktiska tillämpningar är att samma SA-process inte kan tillämpas på ett brett spektrum av material för att skapa identiska 3-D-ordnade arrayer från olika nanokomponenter," förklarade motsvarande författare Oleg Gang , ledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) - ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory - och en professor i kemiteknik och i tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering. "Här kopplade vi SA-processen från materialegenskaper genom att designa stela polyedriska DNA-ramar som kan kapsla in olika oorganiska eller organiska nanoobjekt, inklusive metaller, halvledare och till och med proteiner och enzymer."
Forskarna konstruerade syntetiska DNA-ramar i form av en kub, oktaeder och tetraeder. Inuti ramarna finns DNA-"armar" som endast nanoobjekt med den komplementära DNA-sekvensen kan binda till. Dessa materialvoxlar - integrationen av DNA-ramen och nanoobjektet - är byggstenarna från vilka makroskaliga 3D-strukturer kan göras. Ramarna ansluter till varandra oavsett vilken typ av nanoobjekt som finns inuti (eller inte) enligt de komplementära sekvenser de är kodade med vid sina hörn. Beroende på deras form har ramar olika antal hörn och bildar därmed helt olika strukturer. Alla nanoobjekt som finns inuti ramarna antar den specifika ramstrukturen.
För att demonstrera sin monteringsmetod valde forskarna metalliska (guld) och halvledande (kadmiumselenid) nanopartiklar och ett bakteriellt protein (streptavidin) som de oorganiska och organiska nanoobjekten som skulle placeras inuti DNA-ramarna. Först bekräftade de integriteten hos DNA-ramarna och bildandet av materialvoxel genom att avbilda med elektronmikroskop vid CFN Electron Microscopy Facility och Van Andel Institute, som har en uppsättning instrument som fungerar vid kryogena temperaturer för biologiska prover. De undersökte sedan 3D-gitterstrukturerna vid Coherent Hard X-ray Scattering och Complex Materials Scattering beamlines av National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en annan DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor i kemiteknik Sanat Kumar och hans grupp utförde beräkningsmodeller som avslöjade att de experimentellt observerade gitterstrukturerna (baserade på röntgenspridningsmönstren) var de mest termodynamiskt stabila som materialvoxlarna kunde bilda.
"Dessa materiella voxels tillåter oss att börja använda idéer som härrör från atomer (och molekyler) och kristallerna som de bildar, och överföra denna enorma kunskap och databas till system av intresse på nanoskala," förklarade Kumar.
Gangs studenter vid Columbia visade sedan hur monteringsplattformen kunde användas för att driva organisationen av två olika typer av material med kemiska och optiska funktioner. I ett fall sammansatte de två enzymer och skapade 3D-arrayer med hög packningsdensitet. Även om enzymerna förblev kemiskt oförändrade, visade de ungefär en fyrfaldig ökning av enzymaktiviteten. Dessa "nanoreaktorer" skulle kunna användas för att manipulera kaskadreaktioner och möjliggöra tillverkning av kemiskt aktiva material. För demonstrationen av optiskt material blandade de två olika färger av kvantprickar - små nanokristaller som används för att göra tv-skärmar med hög färgmättnad och ljusstyrka. Bilder tagna med ett fluorescensmikroskop visade att det bildade gittret bibehöll färgrenheten under ljusets diffraktionsgräns (våglängd); den här egenskapen kan möjliggöra betydande upplösningsförbättringar i olika bildskärms- och optiska kommunikationsteknologier.
"Vi måste tänka om hur material kan formas och hur de fungerar", sa Gang. "Omdesign av material är kanske inte nödvändigt; att bara förpacka befintliga material på nya sätt kan förbättra deras egenskaper. Potentiellt kan vår plattform vara en möjliggörande teknik "bortom 3-D-utskriftstillverkning" för att kontrollera material i mycket mindre skalor och med större materialvariation och designade kompositioner med samma tillvägagångssätt för att bilda 3D-gitter från önskade nanoobjekt av olika materialklasser, integrera de som annars skulle övervägas. inkompatibel, skulle kunna revolutionera nanotillverkningen."
Material tillhandahålls av DOE/Brookhaven National Laboratory. Obs! Innehållet kan redigeras för stil och längd.
Få de senaste vetenskapsnyheterna med ScienceDailys kostnadsfria nyhetsbrev via e-post, som uppdateras dagligen och varje vecka. Eller se uppdaterade nyhetsflöden varje timme i din RSS-läsare:
Berätta för oss vad du tycker om ScienceDaily -- vi välkomnar både positiva och negativa kommentarer. Har du några problem med att använda sidan? Frågor?
Posttid: 14 januari 2020