Các nhà khoa học đã phát triển một nền tảng để lắp ráp các thành phần vật liệu nano, hoặc "các đối tượng nano", thuộc các loại rất khác nhau-vô cơ hoặc hữu cơ-thành các cấu trúc 3-D mong muốn. Mặc dù tự lắp ráp (SA) đã được sử dụng thành công để tổ chức các loại vật liệu nano của một số loại, quá trình này rất đặc trưng cho hệ thống, tạo ra các cấu trúc khác nhau dựa trên các tính chất nội tại của vật liệu. Như đã báo cáo trong một bài báo được công bố ngày hôm nay trên các vật liệu tự nhiên, nền tảng nano được lập trình DNA mới của họ có thể được áp dụng để tổ chức nhiều loại vật liệu 3 chiều theo cùng một cách quy định tại nano (hàng tỷ đồng của một mét), trong đó quang học, hóa chất và các thuộc tính khác xuất hiện.
"Một trong những lý do chính tại sao SA không phải là một kỹ thuật được lựa chọn cho các ứng dụng thực tế là vì quy trình SA tương tự không thể được áp dụng trên một loạt các tài liệu để tạo ra các mảng 3-D giống hệt nhau từ các nanocomponents khác nhau" Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven - và là giáo sư kỹ thuật hóa học và khoa học vật lý và vật liệu ứng dụng tại Columbia Engineering. "Ở đây, chúng tôi đã tách quá trình SA khỏi các tính chất vật liệu bằng cách thiết kế các khung DNA đa diện cứng nhắc có thể gói gọn các đối tượng nano vô cơ hoặc hữu cơ khác nhau, bao gồm kim loại, chất bán dẫn, và thậm chí cả protein và enzyme."
Các nhà khoa học đã thiết kế các khung DNA tổng hợp trong hình dạng của một khối lập phương, bát diện và tứ diện. Bên trong các khung là DNA "cánh tay" mà chỉ các đối tượng nano có trình tự DNA bổ sung có thể liên kết với. Những voxels vật liệu này-sự tích hợp của khung DNA và đối tượng nano-là các khối xây dựng mà các cấu trúc 3-D vĩ mô có thể được thực hiện. Các khung kết nối với nhau bất kể loại đối tượng nano nào bên trong (hoặc không) theo các chuỗi bổ sung mà chúng được mã hóa ở các đỉnh của chúng. Tùy thuộc vào hình dạng của chúng, các khung có một số đỉnh khác nhau và do đó hình thành các cấu trúc hoàn toàn khác nhau. Bất kỳ đối tượng nano nào được lưu trữ bên trong các khung đều có cấu trúc khung cụ thể đó.
Để chứng minh phương pháp lắp ráp của họ, các nhà khoa học đã chọn hạt nano kim loại (vàng) và bán dẫn (cadmium selenide) và protein vi khuẩn (streptavidin) là các đối tượng nano vô cơ và hữu cơ được đặt bên trong các khung DNA. Đầu tiên, họ đã xác nhận tính toàn vẹn của các khung DNA và sự hình thành các voxels vật liệu bằng cách chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử tại cơ sở kính hiển vi điện tử CFN và Viện Van Andel, có bộ dụng cụ hoạt động ở nhiệt độ lạnh cho các mẫu sinh học. Sau đó, họ đã thăm dò các cấu trúc mạng 3 chiều tại tán xạ tia X cứng kết hợp và các vật liệu phức tạp tán xạ các đường rạch của Nguồn ánh sáng Synchrotron quốc gia II (NSLS-II)-một văn phòng người dùng khoa học DOE khác tại Brookhaven Lab. Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Sanat Kumar và nhóm của ông đã thực hiện mô hình tính toán cho thấy các cấu trúc mạng được quan sát bằng thực nghiệm (dựa trên các mẫu tán xạ tia X) là những mẫu ổn định nhất về mặt nhiệt động mà Voxels vật liệu có thể hình thành.
"Các voxels vật liệu này cho phép chúng ta bắt đầu sử dụng các ý tưởng có nguồn gốc từ các nguyên tử (và phân tử) và các tinh thể mà chúng hình thành, và chuyển kiến thức và cơ sở dữ liệu rộng lớn này đến các hệ thống quan tâm tại nano," Kumar giải thích.
Các sinh viên của băng đảng tại Columbia sau đó đã chứng minh làm thế nào nền tảng lắp ráp có thể được sử dụng để điều khiển tổ chức của hai loại vật liệu khác nhau với các chức năng hóa học và quang học. Trong một trường hợp, họ đồng lắp ráp hai enzyme, tạo ra các mảng 3 chiều với mật độ đóng gói cao. Mặc dù các enzyme vẫn không thay đổi về mặt hóa học, chúng cho thấy hoạt động enzyme tăng gấp bốn lần. Các "nanoreactors" này có thể được sử dụng để điều khiển các phản ứng xếp tầng và cho phép chế tạo các vật liệu hoạt động hóa học. Đối với trình diễn vật liệu quang học, họ đã trộn hai màu khác nhau của các chấm lượng tử - các tinh thể nano nhỏ đang được sử dụng để làm cho màn hình tivi có độ bão hòa và độ sáng màu cao. Hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang cho thấy mạng tinh khiết duy trì độ tinh khiết màu dưới giới hạn nhiễu xạ (bước sóng) của ánh sáng; Tài sản này có thể cho phép cải thiện độ phân giải đáng kể trong các công nghệ truyền thông quang và quang khác nhau.
"Chúng ta cần suy nghĩ lại về cách các vật liệu có thể được hình thành và cách chúng hoạt động", Gang nói. "Thiết kế lại vật liệu có thể không cần thiết, chỉ đơn giản là đóng gói các vật liệu hiện có theo những cách mới có thể nâng cao tính chất của chúng. Có khả năng, nền tảng của chúng tôi có thể là một công nghệ cho phép 'ngoài việc in 3-D' để kiểm soát các vật liệu nhỏ hơn nhiều và với các loại vật liệu khác nhau.
Vật liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE/Brookhaven. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho phong cách và độ dài.
Nhận tin tức khoa học mới nhất với các bản tin email miễn phí của Science Daily, được cập nhật hàng ngày và hàng tuần. Hoặc xem các bản tin cập nhật hàng giờ trong trình đọc RSS của bạn:
Hãy cho chúng tôi biết những gì bạn nghĩ về Science Daily - chúng tôi hoan nghênh cả những bình luận tích cực và tiêu cực. Có bất kỳ vấn đề sử dụng trang web? Câu hỏi?
Thời gian đăng: Tháng 1-14-2020