Naučnici su razvili platformu za sastavljanje nano-materijalnih komponenti, ili "nano-objekata", vrlo različitih tipova - neorganskih ili organskih - u željene 3D strukture. Iako se samosastavljanje (SA) uspješno koristi za organiziranje nanomaterijala nekoliko vrsta, proces je izuzetno specifičan za sistem, generirajući različite strukture na osnovu intrinzičnih svojstava materijala. Kao što je objavljeno u radu objavljenom danas u Nature Materials, njihova nova DNK-programabilna platforma za nanofabrikaciju može se primijeniti za organiziranje različitih 3D materijala na iste propisane načine na nanoskali (milijarditi dio metra), gdje se pojavljuju jedinstvena optička, hemijska i druga svojstva.
„Jedan od glavnih razloga zašto SA nije tehnika izbora za praktične primjene je taj što se isti SA proces ne može primijeniti na širok raspon materijala kako bi se stvorili identični 3D uređeni nizovi od različitih nanokomponenti“, objasnio je odgovarajući autor Oleg Gang, vođa Grupe za meke i bio nanomaterijale u Centru za funkcionalne nanomaterijale (CFN) - korisničkom centru Ureda za nauku Ministarstva energetike SAD-a (DOE) u Nacionalnoj laboratoriji Brookhaven - i profesor hemijskog inženjerstva i primijenjene fizike i nauke o materijalima na Columbia Engineeringu. „Ovdje smo odvojili SA proces od svojstava materijala dizajniranjem krutih poliedarskih DNK okvira koji mogu enkapsulirati različite neorganske ili organske nano-objekte, uključujući metale, poluprovodnike, pa čak i proteine i enzime.“
Naučnici su konstruisali sintetičke DNK okvire u obliku kocke, oktaedra i tetraedra. Unutar okvira nalaze se DNK "krakovi" za koje se mogu vezati samo nano-objekti sa komplementarnom DNK sekvencom. Ovi materijalni vokseli - integracija DNK okvira i nano-objekta - su gradivni blokovi od kojih se mogu napraviti makroskalne 3D strukture. Okviri se međusobno povezuju bez obzira na to kakav se nano-objekt nalazi unutra (ili ne) u skladu sa komplementarnim sekvencama kojima su kodirani u svojim vrhovima. U zavisnosti od njihovog oblika, okviri imaju različit broj vrhova i stoga formiraju potpuno različite strukture. Bilo koji nano-objekt smješten unutar okvira preuzima tu specifičnu strukturu okvira.
Kako bi demonstrirali svoj pristup sastavljanju, naučnici su odabrali metalne (zlato) i poluprovodničke (kadmijum selenid) nanočestice i bakterijski protein (streptavidin) kao neorganske i organske nano-objekte koji će biti smješteni unutar DNK okvira. Prvo su potvrdili integritet DNK okvira i formiranje materijalnih voksela snimanjem elektronskim mikroskopima u CFN objektu za elektronsku mikroskopiju i Institutu Van Andel, koji ima niz instrumenata koji rade na kriogenim temperaturama za biološke uzorke. Zatim su ispitali 3D rešetkaste strukture na linijama snopa koherentnog tvrdog rendgenskog raspršenja i raspršenja kompleksnih materijala Nacionalnog sinhrotronskog izvora svjetlosti II (NSLS-II) - još jednog korisničkog objekta DOE Ureda za nauku u Brookhaven laboratoriji. Profesor hemijskog inženjerstva Bykhovsky na Columbia Engineeringu, Sanat Kumar, i njegova grupa izveli su računarsko modeliranje, otkrivajući da su eksperimentalno uočene rešetkaste strukture (na osnovu obrazaca raspršenja rendgenskih zraka) bile termodinamički najstabilnije koje materijalni vokseli mogu formirati.
„Ovi materijalni vokseli nam omogućavaju da počnemo koristiti ideje izvedene iz atoma (i molekula) i kristala koje oni formiraju, te da prenesemo ovo ogromno znanje i bazu podataka na sisteme od interesa na nanoskali“, objasnio je Kumar.
Gangovi studenti na Columbiji su zatim demonstrirali kako se platforma za sastavljanje može koristiti za organizaciju dvije različite vrste materijala s hemijskim i optičkim funkcijama. U jednom slučaju, oni su zajedno sastavili dva enzima, stvarajući 3D nizove s visokom gustoćom pakiranja. Iako su enzimi ostali hemijski nepromijenjeni, pokazali su oko četverostruko povećanje enzimske aktivnosti. Ovi "nanoreaktori" mogli bi se koristiti za manipuliranje kaskadnim reakcijama i omogućavanje izrade hemijski aktivnih materijala. Za demonstraciju optičkog materijala, pomiješali su dvije različite boje kvantnih tačaka - sićušnih nanokristala koji se koriste za izradu televizijskih ekrana s visokom zasićenošću boja i svjetlinom. Slike snimljene fluorescentnim mikroskopom pokazale su da formirana rešetka održava čistoću boje ispod granice difrakcije (valne dužine) svjetlosti; ovo svojstvo bi moglo omogućiti značajno poboljšanje rezolucije u raznim tehnologijama prikaza i optičke komunikacije.
„Moramo preispitati kako se materijali mogu formirati i kako funkcionišu“, rekao je Gang. „Redizajn materijala možda nije potreban; jednostavno pakovanje postojećih materijala na nove načine moglo bi poboljšati njihova svojstva. Potencijalno, naša platforma bi mogla biti tehnologija koja omogućava 'izvan 3D proizvodnje' za kontrolu materijala u mnogo manjim razmjerima i sa većom raznolikošću materijala i dizajniranim sastavima. Korištenje istog pristupa za formiranje 3D rešetki od željenih nano-objekata različitih klasa materijala, integrirajući one koji bi se inače smatrali nekompatibilnim, moglo bi revolucionirati nanoproizvodnju.“
Materijali koje je obezbijedio DOE/Brookhaven National Laboratory. Napomena: Sadržaj se može uređivati po pitanju stila i dužine.
Primajte najnovije vijesti iz nauke putem besplatnih e-mail biltena ScienceDaily, koji se ažuriraju dnevno i sedmično. Ili pogledajte ažurirane vijesti svakog sata u svom RSS čitaču:
Recite nam šta mislite o ScienceDaily-u — pozdravljamo i pozitivne i negativne komentare. Imate li problema s korištenjem stranice? Pitanja?
Vrijeme objave: 04.07.2022.