Znanstveniki so razvili platformo za sestavljanje nanodelcev materialov ali "nano-objektov" zelo različnih vrst – anorganskih ali organskih – v želene 3D-strukture. Čeprav se samosestavljanje (SA) uspešno uporablja za organiziranje nanomaterialov različnih vrst, je postopek izjemno sistemsko specifičen in ustvarja različne strukture na podlagi intrinzičnih lastnosti materialov. Kot je bilo poročano v članku, objavljenem danes v reviji Nature Materials, se lahko njihova nova platforma za nanofabrikacijo, ki jo je mogoče programirati z DNK, uporabi za organiziranje različnih 3D-materialov na enake predpisane načine v nanoskali (milijardinki metra), kjer se pojavijo edinstvene optične, kemične in druge lastnosti.
»Eden glavnih razlogov, zakaj SA ni tehnika izbire za praktično uporabo, je, da istega SA postopka ni mogoče uporabiti v širokem naboru materialov za ustvarjanje enakih 3D urejenih nizov iz različnih nanokomponent,« je pojasnil ustrezni avtor Oleg Gang, vodja skupine za mehke in bio nanomateriale v Centru za funkcionalne nanomateriale (CFN) – uporabniškem centru Urada za znanost ameriškega ministrstva za energijo (DOE) v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven – in profesor kemijskega inženirstva ter uporabne fizike in znanosti o materialih na univerzi Columbia Engineering. »Tukaj smo ločili SA postopek od lastnosti materiala z zasnovo togih poliedrskih okvirjev DNK, ki lahko zajamejo različne anorganske ali organske nanopredmete, vključno s kovinami, polprevodniki in celo beljakovinami in encimi.«
Znanstveniki so zasnovali sintetične okvirje DNK v obliki kocke, oktaedra in tetraedra. Znotraj okvirjev so "roke" DNK, na katere se lahko vežejo le nanoobjekti s komplementarnim zaporedjem DNK. Ti materialni vokseli – integracija okvirja DNK in nanoobjekta – so gradniki, iz katerih je mogoče izdelati makroskopske 3D strukture. Okvirji se med seboj povezujejo ne glede na to, kakšen nanoobjekt je v notranjosti (ali ne), glede na komplementarna zaporedja, s katerimi so kodirani v svojih vozliščih. Glede na svojo obliko imajo okvirji različno število vozlišč in tako tvorijo povsem različne strukture. Vsi nanoobjekti, ki se nahajajo znotraj okvirjev, prevzamejo to specifično strukturo okvirja.
Za demonstracijo svojega pristopa sestavljanja so znanstveniki izbrali kovinske (zlato) in polprevodniške (kadmijev selenid) nanodelce ter bakterijski protein (streptavidin) kot anorganske in organske nanopredmete, ki jih bodo namestili v okvirje DNK. Najprej so potrdili celovitost okvirjev DNK in nastanek materialnih vokselov s slikanjem z elektronskimi mikroskopi v objektu za elektronsko mikroskopijo CFN in inštitutu Van Andel, ki ima nabor instrumentov, ki delujejo pri kriogenih temperaturah za biološke vzorce. Nato so preiskali 3D mrežne strukture na žarkovnih linijah koherentnega trdega rentgenskega sipanja in sipanja kompleksnih materialov Nacionalnega sinhrotronskega svetlobnega vira II (NSLS-II) – še enega uporabniškega objekta Urada za znanost DOE v laboratoriju Brookhaven. Profesor kemijskega inženirstva Bykhovsky na Columbia Engineering, Sanat Kumar, in njegova skupina so izvedli računalniško modeliranje, ki je pokazalo, da so eksperimentalno opažene mrežne strukture (na podlagi vzorcev sipanja rentgenskih žarkov) najbolj termodinamično stabilne, ki jih lahko materialni vokseli tvorijo.
»Ti materialni vokseli nam omogočajo, da začnemo uporabljati ideje, pridobljene iz atomov (in molekul) in kristalov, ki jih tvorijo, ter to obsežno znanje in bazo podatkov prenesemo v sisteme, ki nas zanimajo na nanoskali,« je pojasnil Kumar.
Gangovi študenti na Columbiji so nato pokazali, kako bi lahko platformo za sestavljanje uporabili za organizacijo dveh različnih vrst materialov s kemičnimi in optičnimi funkcijami. V enem primeru so so-sestavili dva encima in ustvarili 3D-matrike z visoko gostoto pakiranja. Čeprav so encimi ostali kemično nespremenjeni, so pokazali približno štirikratno povečanje encimske aktivnosti. Te "nanoreaktorje" bi lahko uporabili za manipulacijo kaskadnih reakcij in omogočili izdelavo kemično aktivnih materialov. Za demonstracijo optičnih materialov so zmešali dve različni barvi kvantnih pik – drobnih nanokristalov, ki se uporabljajo za izdelavo televizijskih zaslonov z visoko nasičenostjo barv in svetlostjo. Slike, posnete s fluorescentnim mikroskopom, so pokazale, da je nastala mreža ohranila barvno čistost pod difrakcijsko mejo (valovno dolžino) svetlobe; ta lastnost bi lahko omogočila znatno izboljšanje ločljivosti v različnih tehnologijah prikazovanja in optične komunikacije.
»Na novo moramo premisliti, kako se materiali lahko oblikujejo in kako delujejo,« je dejal Gang. »Preoblikovanje materialov morda ni potrebno; preprosto pakiranje obstoječih materialov na nove načine bi lahko izboljšalo njihove lastnosti. Naša platforma bi lahko bila potencialno omogočevalna tehnologija, ki »prek 3D-tiskanja« omogoča nadzor nad materiali v veliko manjših merilih in z večjo raznolikostjo materialov ter zasnovanimi sestavami. Uporaba istega pristopa za oblikovanje 3D-mrež iz želenih nano-objektov različnih razredov materialov, integracija tistih, ki bi sicer veljali za nezdružljive, bi lahko povzročila revolucijo v nanoproizvodnji.«
Gradivo je zagotovil DOE/Brookhaven National Laboratory. Opomba: Vsebina se lahko spremeni glede sloga in dolžine.
Najnovejše znanstvene novice dobite z brezplačnimi e-poštnimi glasili ScienceDaily, ki se posodabljajo dnevno in tedensko. Ali pa si oglejte novice, ki se posodabljajo vsako uro, v svojem bralniku RSS:
Povejte nam, kaj menite o ScienceDaily – veseli smo tako pozitivnih kot negativnih komentarjev. Imate kakršne koli težave z uporabo spletnega mesta? Imate vprašanja?
Čas objave: 4. julij 2022