Научниците развија платформа за склопување на наноголеми материјални компоненти, или „нано-објекти“, од многу различни типови - неоргански или органски - во посакувани 3D структури. Иако самосклопувањето (СА) успешно се користи за организирање на наноматеријали од неколку видови, процесот е исклучително системски специфичен, генерирајќи различни структури врз основа на суштинските својства на материјалите. Како што е објавено во труд објавен денес во Nature Materials, нивната нова ДНК-програмабилна платформа за нанофабрикација може да се примени за организирање на различни 3D материјали на истите пропишани начини на наноскала (милијардити делови од метар), каде што се појавуваат уникатни оптички, хемиски и други својства.
„Една од главните причини зошто SA не е техника на избор за практични апликации е тоа што истиот SA процес не може да се примени низ широк спектар на материјали за да се создадат идентични 3D подредени низи од различни нанокомпоненти“, објасни дописниот автор Олег Ганг, лидер на Групата за меки и биолошки наноматеријали во Центарот за функционални наноматеријали (CFN) - кориснички објект на Канцеларијата за наука на Министерството за енергетика на САД (DOE) во Националната лабораторија Брукхејвен - и професор по хемиско инженерство и по применета физика и наука за материјали на Колумбија Инженеринг. „Тука, го одвоивме SA процесот од својствата на материјалот со дизајнирање на крути полиедарски ДНК рамки кои можат да капсулираат разни неоргански или органски нано-објекти, вклучувајќи метали, полупроводници, па дури и протеини и ензими.“
Научниците создадоа синтетички ДНК рамки во форма на коцка, октаедар и тетраедар. Внатре во рамките се наоѓаат ДНК „краци“ за кои можат да се поврзат само нано-објекти со комплементарна ДНК секвенца. Овие материјални воксели - интеграцијата на ДНК рамката и нано-објектот - се градежните блокови од кои можат да се направат макроскални 3D структури. Рамките се поврзуваат едни со други без оглед на тоа каков вид нано-објект е внатре (или не) според комплементарните секвенци со кои се кодирани на нивните врвови. Во зависност од нивната форма, рамките имаат различен број на врвови и со тоа формираат сосема различни структури. Сите нано-објекти сместени во рамките ја преземаат таа специфична структура на рамката.
За да го демонстрираат својот пристап кон склопување, научниците избраа метални (златни) и полупроводнички (кадмиум селенид) наночестички и бактериски протеин (стрептавидин) како неоргански и органски нано-објекти што треба да се постават во рамките на ДНК. Прво, тие го потврдија интегритетот на рамките на ДНК и формирањето на материјални воксели со снимање со електронски микроскопи во Центарот за електронска микроскопија CFN и Институтот Ван Андел, кој има пакет инструменти што работат на криогени температури за биолошки примероци. Потоа ги испитаа 3-Д решеткните структури на зрачните линии на кохерентното расејување на тврди рендгенски зраци и расејувањето на комплексни материјали на Националниот синхротронски извор на светлина II (NSLS-II) - уште еден кориснички објект на Канцеларијата за наука на Министерството за економија во лабораторијата Брукхејвен. Професорот по хемиско инженерство „Биховски“ при Колумбија Инженеринг, Санат Кумар, и неговата група извршија компјутерско моделирање откривајќи дека експериментално набљудуваните решеткни структури (врз основа на шемите на расејување на рендгенски зраци) се најтермодинамички стабилните што можат да ги формираат материјалните воксели.
„Овие материјални воксели ни овозможуваат да почнеме да користиме идеи добиени од атоми (и молекули) и кристалите што тие ги формираат, и да го пренесеме ова огромно знаење и база на податоци во системи од интерес на наноскала“, објасни Кумар.
Студентите на Ганг на Колумбија потоа демонстрираа како платформата за склопување може да се користи за да се поттикне организацијата на два различни вида материјали со хемиски и оптички функции. Во еден случај, тие ко-склопија два ензими, создавајќи 3D низи со висока густина на пакување. Иако ензимите останаа хемиски непроменети, тие покажаа околу четирикратно зголемување на ензимската активност. Овие „нанореактори“ можеа да се користат за манипулирање со каскадни реакции и овозможување на производство на хемиски активни материјали. За демонстрација на оптички материјал, тие измешаа две различни бои на квантни точки - ситни нанокристали кои се користат за производство на телевизиски дисплеи со висока сатурација на боите и осветленост. Сликите направени со флуоресцентен микроскоп покажаа дека формираната решетка ја одржува чистотата на бојата под границата на дифракција (бранова должина) на светлината; ова својство може да овозможи значително подобрување на резолуцијата во различни технологии за дисплеи и оптички комуникации.
„Треба повторно да размислиме како можат да се формираат материјалите и како тие функционираат“, рече Ганг. „Редизајнот на материјалите можеби не е потребен; едноставното пакување на постојните материјали на нови начини би можело да ги подобри нивните својства. Потенцијално, нашата платформа би можела да биде технологија што овозможува „надвор од производството со 3Д печатење“ за контрола на материјали во многу помали размери и со поголема разновидност на материјали и дизајнирани композиции. Користењето на истиот пристап за формирање 3Д решетки од посакувани нано-објекти од различни класи на материјали, интегрирањето на оние што инаку би се сметале за некомпатибилни, би можело да го револуционизира нанопроизводството.“
Материјалите се обезбедени од DOE/Национална лабораторија Брукхејвен. Забелешка: Содржината може да биде уредена поради стилот и должината.
Добивајте ги најновите научни вести со бесплатните е-пошта билтени на ScienceDaily, кои се ажурираат дневно и неделно. Или прегледувајте ги вестите што се ажурираат на секој час во вашиот RSS читач:
Кажете ни што мислите за ScienceDaily — добредојдени се и позитивни и негативни коментари. Имате ли проблеми со користењето на страницата? Прашања?
Време на објавување: 04.07.2022