Znanstveniki so razvili platformo za sestavljanje materialov nano velikosti ali "nano-predmetov" zelo različnih tipov - anorganskih ali organskih - v želene 3-D strukture. Čeprav se je samosestavljanje (SA) uspešno uporabljalo za organizacijo več vrst nanomaterialov, je bil proces izjemno sistemsko specifičen in je ustvaril različne strukture na podlagi intrinzičnih lastnosti materialov. Kot je navedeno v prispevku, objavljenem danes v Nature Materials, je njihovo novo platformo za nanofabrikacijo, ki jo je mogoče programirati z DNK, mogoče uporabiti za organiziranje različnih 3-D materialov na enake predpisane načine na nanometru (milijardinke metra), kjer edinstvena optična, kemična in pojavijo se druge lastnosti.
"Eden glavnih razlogov, zakaj SA ni izbrana tehnika za praktične aplikacije, je ta, da istega postopka SA ni mogoče uporabiti v širokem spektru materialov za ustvarjanje identičnih 3-D urejenih nizov iz različnih nanokomponent," je pojasnil ustrezni avtor Oleg Gang. , vodja skupine za mehke in biološke nanomateriale pri Centru za funkcionalne nanomateriale (CFN) – urad za uporabnike znanosti ameriškega ministrstva za energijo (DOE) na Brookhaven National Laboratory — in profesor kemijskega inženirstva ter uporabne fizike in znanosti o materialih na Columbia Engineering. "Tukaj smo ločili postopek SA od lastnosti materiala z oblikovanjem togih poliedrskih okvirjev DNK, ki lahko inkapsulirajo različne anorganske ali organske nano-predmete, vključno s kovinami, polprevodniki in celo proteini in encimi."
Znanstveniki so izdelali sintetične okvire DNK v obliki kocke, oktaedra in tetraedra. Znotraj okvirjev so »roke« DNK, na katere se lahko vežejo samo nanoobjekti s komplementarnim zaporedjem DNK. Ti materialni vokseli - integracija okvirja DNK in nano-objekta - so gradniki, iz katerih je mogoče izdelati 3-D strukture na makro ravni. Okvirji se med seboj povezujejo ne glede na to, kakšen nano-objekt je znotraj (ali ne) glede na komplementarna zaporedja, s katerimi so kodirani na svojih ogliščih. Glede na obliko imajo okvirji različno število oglišč in tako tvorijo povsem različne strukture. Vsi nano-predmeti, ki se nahajajo znotraj okvirjev, prevzamejo to posebno strukturo okvirja.
Da bi prikazali svoj pristop sestavljanja, so znanstveniki izbrali kovinske (zlato) in polprevodne (kadmijev selenid) nanodelce in bakterijski protein (streptavidin) kot anorganske in organske nano-predmete, ki jih je treba postaviti v okvire DNK. Najprej so potrdili celovitost okvirjev DNK in tvorbo materialnih vokslov s slikanjem z elektronskimi mikroskopi v CFN Electron Microscopy Facility in Van Andel Institute, ki ima nabor instrumentov, ki delujejo pri kriogenih temperaturah za biološke vzorce. Nato so preiskali tridimenzionalne mrežne strukture na koherentnem sipanju trdih rentgenskih žarkov in sipanju kompleksnih materialov žarkov nacionalnega sinhrotronskega svetlobnega vira II (NSLS-II) – še enega urada DOE za uporabnike znanosti v laboratoriju Brookhaven. Profesor kemijskega inženiringa Columbia Bykhovsky Sanat Kumar in njegova skupina sta izvedla računalniško modeliranje, ki je razkrilo, da so bile eksperimentalno opazovane mrežne strukture (na podlagi vzorcev sipanja rentgenskih žarkov) najbolj termodinamično stabilne, kar jih lahko tvorijo materialni vokseli.
"Ti materialni vokseli nam omogočajo, da začnemo uporabljati ideje, izpeljane iz atomov (in molekul) in kristalov, ki jih tvorijo, ter prenesemo to obsežno znanje in podatkovno bazo v zanimive sisteme na nanometru," je pojasnil Kumar.
Gangovi študenti na Columbii so nato demonstrirali, kako bi lahko montažno platformo uporabili za vodenje organizacije dveh različnih vrst materialov s kemičnimi in optičnimi funkcijami. V enem primeru so skupaj sestavili dva encima in ustvarili 3-D nize 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 predstavitev optičnega materiala so zmešali dve različni barvi kvantnih pik - drobnih nanokristalov, ki se uporabljajo za izdelavo televizijskih zaslonov z visoko barvno nasičenostjo in svetlostjo. Slike, zajete s fluorescenčnim mikroskopom, so pokazale, da je oblikovana mreža ohranila čistost barve pod mejo uklona (valovno dolžino) svetlobe; ta lastnost bi lahko omogočila znatno izboljšanje ločljivosti v različnih zaslonskih in optičnih komunikacijskih tehnologijah.
"Ponovno moramo premisliti, kako je mogoče oblikovati materiale in kako delujejo," je dejal Gang. »Preoblikovanje materiala morda ne bo potrebno; preprosto pakiranje obstoječih materialov na nove načine bi lahko izboljšalo njihove lastnosti. Potencialno bi lahko bila naša platforma tehnologija, ki omogoča 'onkraj proizvodnje 3-D tiskanja' za nadzor materialov v veliko manjših merilih ter z večjo raznolikostjo materialov in oblikovanimi kompozicijami. Uporaba istega pristopa za oblikovanje 3-D mrež iz želenih nano-predmetov različnih materialnih razredov, z integracijo tistih, ki bi sicer veljali za nezdružljive, bi lahko revolucionirala nanoproizvodnjo.
Materiali, ki jih zagotavlja DOE/Brookhaven National Laboratory. Opomba: vsebino je mogoče urejati glede na slog in dolžino.
Pridobite najnovejše novice o znanosti z brezplačnimi e-novicami ScienceDaily, ki se posodabljajo dnevno in tedensko. Ali pa si oglejte vsako uro posodobljene vire novic v bralniku RSS:
Povejte nam, kaj mislite o ScienceDaily – veseli smo pozitivnih in negativnih komentarjev. Imate težave z uporabo spletnega mesta? Vprašanja?
Čas objave: 4. julij 2022