Вчені розробили платформу для складання компонентів нанорозмірних матеріалів або «нанооб’єктів» дуже різних типів — неорганічних чи органічних — у бажані тривимірні структури. Хоча самоскладання (SA) успішно використовувалося для організації наноматеріалів кількох типів, процес був надзвичайно специфічним для системи, створюючи різні структури на основі внутрішніх властивостей матеріалів. Як повідомляється в статті, опублікованій сьогодні в Nature Materials, їх нову програмовану на ДНК платформу нанофабрикації можна застосувати для організації різноманітних 3-D матеріалів тими самими встановленими способами на нанорозмірі (мільярдні частки метра), де унікальні оптичні, хімічні , і з’являються інші властивості.
«Одна з головних причин, чому SA не є найкращою технікою для практичного застосування, полягає в тому, що той самий процес SA не можна застосувати до широкого діапазону матеріалів для створення ідентичних тривимірних упорядкованих масивів із різних нанокомпонентів», — пояснив відповідний автор Олег Ганг. , керівник Групи м’яких і біонаноматеріалів у Центрі функціональних наноматеріалів (CFN) – Управління наукових користувачів Міністерства енергетики США (DOE) у Національній лабораторії Брукхейвена – і професор хімічної інженерії та прикладної фізики та Матеріалознавство в Columbia Engineering. «Тут ми відокремили процес SA від властивостей матеріалу, розробивши жорсткі поліедральні каркаси ДНК, які можуть інкапсулювати різні неорганічні або органічні нанооб’єкти, включаючи метали, напівпровідники та навіть білки та ферменти».
Вчені створили синтетичні каркаси ДНК у формі куба, октаедра і тетраедра. Всередині рамок знаходяться «руки» ДНК, з якими можуть зв’язуватися лише нанооб’єкти з комплементарною послідовністю ДНК. Ці матеріальні вокселі — інтеграція каркаса ДНК і нанооб’єкта — є будівельними блоками, з яких можна створювати макромасштабні 3-D структури. Кадри з’єднуються один з одним незалежно від того, який нанооб’єкт знаходиться всередині (чи ні) відповідно до комплементарних послідовностей, які вони кодують у своїх вершинах. Залежно від форми фрейми мають різну кількість вершин і, таким чином, утворюють абсолютно різні структури. Будь-які нанооб’єкти, розміщені всередині фреймів, приймають цю специфічну структуру фрейму.
Щоб продемонструвати свій підхід до збірки, вчені вибрали металеві (золото) і напівпровідникові (селенід кадмію) наночастинки та бактеріальний білок (стрептавідін) як неорганічні та органічні нанооб’єкти, які будуть розміщені всередині каркасів ДНК. По-перше, вони підтвердили цілісність каркасів ДНК і формування матеріальних вокселів за допомогою зображень за допомогою електронних мікроскопів у CFN Electron Microscopy Facility та Van Andel Institute, який має набір інструментів, які працюють при кріогенних температурах для біологічних зразків. Потім вони досліджували тривимірні структури решітки на лініях когерентного жорсткого рентгенівського розсіювання та розсіювання складних матеріалів Національного синхротронного джерела світла II (NSLS-II) — ще одного користувацького центру Управління наукових досліджень DOE у лабораторії Брукхейвена. Професор хімічної інженерії Columbia Engineering Bykhovsky Санат Кумар і його група виконали обчислювальне моделювання, виявивши, що експериментально спостережувані структури решітки (на основі картин розсіювання рентгенівського випромінювання) були найбільш термодинамічно стабільними, які могли утворювати вокселі матеріалу.
«Ці матеріальні вокселі дозволяють нам почати використовувати ідеї, отримані з атомів (і молекул) і кристалів, які вони утворюють, і перенести ці величезні знання та базу даних на цікаві системи на нанорозмірі», — пояснив Кумар.
Потім студенти Ганга в Колумбійському університеті продемонстрували, як монтажну платформу можна використовувати для організації двох різних видів матеріалів з хімічними та оптичними функціями. В одному випадку вони спільно зібрали два ферменти, створивши тривимірні масиви з високою щільністю упаковки. Хоча ферменти залишалися хімічно незмінними, вони продемонстрували приблизно чотириразове збільшення ферментативної активності. Ці «нанореактори» можна використовувати для управління каскадними реакціями та створення хімічно активних матеріалів. Для демонстрації оптичного матеріалу вони змішали два різні кольори квантових точок — крихітних нанокристалів, які використовуються для виготовлення телевізійних дисплеїв із високою насиченістю кольорів і яскравістю. Зображення, отримані за допомогою флуоресцентного мікроскопа, показали, що сформована решітка зберігає чистоту кольору нижче межі дифракції (довжини хвилі) світла; ця властивість може дозволити значно покращити роздільну здатність у різних технологіях відображення та оптичних комунікацій.
«Нам потрібно переосмислити, як можуть бути сформовані матеріали та як вони функціонують», — сказав Ганг. «Редизайн матеріалів може не знадобитися; просте упакування існуючих матеріалів по-новому може покращити їхні властивості. Потенційно наша платформа може стати технологічною технологією «за межами виробництва 3D-друку» для контролю матеріалів у набагато менших масштабах і з більшою різноманітністю матеріалів і розроблені композиції. Використання того самого підходу для формування тривимірних решіток із бажаних нанооб’єктів різних класів матеріалів, об’єднання тих, які інакше вважалися б несумісними, могло б революціонізувати нановиробництво».
Матеріали надані DOE/Brookhaven National Laboratory. Примітка. Вміст можна редагувати за стилем і довжиною.
Отримуйте останні наукові новини за допомогою безкоштовних інформаційних бюлетенів ScienceDaily, які оновлюються щодня та щотижня. Або переглядайте стрічки новин, що оновлюються щогодини, у вашому RSS-рідері:
Розкажіть нам, що ви думаєте про ScienceDaily - ми раді як позитивним, так і негативним коментарям. Виникли проблеми з використанням сайту? Запитання?
Час публікації: 14 січня 2020 р