Forskere har udviklet en platform til at samle nanomaterialekomponenter, eller "nanoobjekter", af meget forskellige typer - uorganiske eller organiske - til ønskede 3D-strukturer. Selvom selv-assembling (SA) med succes er blevet brugt til at organisere nanomaterialer af flere slags, har processen været ekstremt systemspecifik og genereret forskellige strukturer baseret på materialernes iboende egenskaber. Som rapporteret i en artikel offentliggjort i dag i Nature Materials, kan deres nye DNA-programmerbare nanofabrikationsplatform anvendes til at organisere en række forskellige 3D-materialer på de samme foreskrevne måder på nanoskalaen (milliardtedele af en meter), hvor unikke optiske, kemiske og andre egenskaber fremkommer.
"En af hovedårsagerne til, at SA ikke er en foretrukken teknik til praktiske anvendelser, er, at den samme SA-proces ikke kan anvendes på tværs af en bred vifte af materialer for at skabe identiske 3D-ordnede arrays fra forskellige nanokomponenter," forklarede den korresponderende forfatter Oleg Gang, leder af Soft and Bio Nanomaterials Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - en brugerfacilitet under det amerikanske energiministerium (DOE) Office of Science på Brookhaven National Laboratory - og professor i kemiteknik og anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia Engineering. "Her afkoblede vi SA-processen fra materialeegenskaber ved at designe stive polyedriske DNA-rammer, der kan indkapsle forskellige uorganiske eller organiske nanoobjekter, herunder metaller, halvledere og endda proteiner og enzymer."
Forskerne konstruerede syntetiske DNA-rammer i form af en terning, et oktaeder og et tetraeder. Inde i rammerne er der DNA-"arme", som kun nanoobjekter med den komplementære DNA-sekvens kan binde sig til. Disse materielle voxels - integrationen af DNA-rammen og nanoobjektet - er byggestenene, hvorfra makroskala 3D-strukturer kan laves. Rammerne forbinder sig med hinanden uanset hvilken type nanoobjekt der er indeni (eller ej) i henhold til de komplementære sekvenser, de er kodet med i deres hjørner. Afhængigt af deres form har rammer et forskelligt antal hjørner og danner således helt forskellige strukturer. Alle nanoobjekter, der er inde i rammerne, antager den specifikke rammestruktur.
For at demonstrere deres samlingsmetode valgte forskerne metalliske (guld) og halvledende (cadmiumselenid) nanopartikler og et bakterielt protein (streptavidin) som de uorganiske og organiske nanoobjekter, der skulle placeres inde i DNA-rammerne. Først bekræftede de integriteten af DNA-rammerne og dannelsen af materialevoxler ved billeddannelse med elektronmikroskoper på CFN Electron Microscopy Facility og Van Andel Institute, som har en række instrumenter, der opererer ved kryogene temperaturer for biologiske prøver. Derefter undersøgte de 3D-gitterstrukturerne ved Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering-strålelinjerne på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en anden DOE Office of Science User Facility på Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor i kemiteknik Sanat Kumar og hans gruppe udførte beregningsmodellering, der afslørede, at de eksperimentelt observerede gitterstrukturer (baseret på røntgenspredningsmønstrene) var de mest termodynamisk stabile, som materialevoxlerne kunne danne.
"Disse materialevoxler giver os mulighed for at begynde at bruge ideer afledt af atomer (og molekyler) og de krystaller, de danner, og overføre denne enorme viden og database til systemer af interesse på nanoskalaen," forklarede Kumar.
Gangs studerende på Columbia demonstrerede derefter, hvordan samlingsplatformen kunne bruges til at drive organiseringen af to forskellige slags materialer med kemiske og optiske funktioner. I ét tilfælde samlede de to enzymer sammen og skabte 3D-arrays med en høj pakningstæthed. Selvom enzymerne forblev kemisk uændrede, viste de en omkring firedobbelt stigning i enzymatisk aktivitet. Disse "nanoreaktorer" kunne bruges til at manipulere kaskadereaktioner og muliggøre fremstilling af kemisk aktive materialer. Til demonstrationen af det optiske materiale blandede de to forskellige farver af kvanteprikker - små nanokrystaller, der bruges til at lave tv-skærme med høj farvemætning og lysstyrke. Billeder taget med et fluorescensmikroskop viste, at det dannede gitter opretholdt farverenheden under lysets diffraktionsgrænse (bølgelængde); denne egenskab kan muliggøre betydelig forbedring af opløsningen i forskellige display- og optiske kommunikationsteknologier.
"Vi er nødt til at gentænke, hvordan materialer kan dannes, og hvordan de fungerer," sagde Gang. "Det er måske ikke nødvendigt at redesigne materialer; blot at pakke eksisterende materialer på nye måder kan forbedre deres egenskaber. Potentielt kan vores platform være en muliggørende teknologi 'ud over 3D-printproduktion' til at kontrollere materialer i meget mindre skalaer og med større materialevariation og designede sammensætninger. Ved at bruge den samme tilgang til at danne 3D-gitre fra ønskede nanoobjekter af forskellige materialeklasser og integrere dem, der ellers ville blive betragtet som inkompatible, kan det revolutionere nanoproduktion."
Materialer leveret af DOE/Brookhaven National Laboratory. Bemærk: Indholdet kan redigeres med hensyn til stil og længde.
Få de seneste videnskabsnyheder med ScienceDailys gratis e-mailnyhedsbreve, der opdateres dagligt og ugentligt. Eller se timeopdaterede nyhedsfeeds i din RSS-læser:
Fortæl os, hvad du synes om ScienceDaily — vi modtager gerne både positive og negative kommentarer. Har du problemer med at bruge siden? Spørgsmål?
Opslagstidspunkt: 4. juli 2022