Znanstvenici su razvili platformu za sastavljanje komponenata materijala nano veličine, ili "nano-objekata", vrlo različitih vrsta - anorganskih ili organskih - u željene 3-D strukture. Iako se samosastavljanje (SA) uspješno koristilo za organiziranje nekoliko vrsta nanomaterijala, proces je bio izuzetno specifičan za sustav, stvarajući različite strukture na temelju intrinzičnih svojstava materijala. Kao što je objavljeno u radu objavljenom danas u časopisu Nature Materials, njihova nova platforma za nanofabrikaciju koja se može programirati DNK može se primijeniti za organiziranje raznih 3-D materijala na iste propisane načine na nanoskali (milijunti dio metra), gdje jedinstveni optički, kemijski , a pojavljuju se 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 za stvaranje identičnih 3-D uređenih nizova iz različitih nanokomponenata", objasnio je dopisni autor Oleg Gang , voditelj Grupe za meke i bio nanomaterijale u Centru za funkcionalne nanomaterijale (CFN) — Ured za korisničku znanstvenu ustanovu američkog Ministarstva energetike (DOE) na Brookhaven National Laboratory — i profesor kemijskog inženjerstva i primijenjene fizike i znanosti o materijalima na Columbia Engineeringu. "Ovdje smo razdvojili proces SA od svojstava materijala dizajnirajući krute poliedarske DNK okvire koji mogu kapsulirati razne anorganske ili organske nano-objekte, uključujući metale, poluvodiče, pa čak i proteine i enzime."
Znanstvenici su izradili sintetičke DNK okvire u obliku kocke, oktaedra i tetraedra. Unutar okvira nalaze se "ruke" DNK na koje se mogu vezati samo nano-objekti s komplementarnom sekvencom DNK. Ovi materijalni vokseli — integracija DNK okvira i nano-objekta — građevni su blokovi od kojih se mogu načiniti 3-D strukture na makro razini. Okviri se međusobno povezuju bez obzira na to kakav je nano-objekt unutra (ili ne) prema komplementarnim sekvencama kojima su kodirani na svojim vrhovima. Ovisno o obliku, okviri imaju različit broj vrhova i tako tvore potpuno različite strukture. Svi nano-objekti smješteni unutar okvira preuzimaju tu specifičnu strukturu okvira.
Kako bi demonstrirali svoj pristup sastavljanju, znanstvenici su odabrali metalne (zlato) i poluvodičke (kadmijev selenid) nanočestice i bakterijski protein (streptavidin) kao anorganske i organske nano-objekte koji će se smjestiti unutar DNK okvira. Prvo su potvrdili integritet DNK okvira i formiranje materijalnih voksela snimanjem elektronskim mikroskopima u CFN Electron Microscopy Facility i Institutu Van Andel, koji ima niz instrumenata koji rade na kriogenim temperaturama za biološke uzorke. Zatim su ispitivali 3-D rešetkaste strukture na linijama koherentnog raspršenja tvrdih rendgenskih zraka i raspršenja složenih materijala National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) — još jedne korisničke ustanove DOE Office of Science u Brookhaven Labu. Profesor kemijskog inženjerstva Bykhovsky na Columbia Engineeringu Sanat Kumar i njegova grupa izveli su računalno modeliranje otkrivajući da su eksperimentalno promatrane rešetkaste strukture (na temelju uzoraka raspršenja x-zraka) bile termodinamički najstabilnije koje su vokseli materijala mogli formirati.
"Ovi materijalni vokseli omogućuju nam da počnemo koristiti ideje izvedene iz atoma (i molekula) i kristala koje oni tvore, i prenijeti ovo ogromno znanje i bazu podataka na sustave od interesa na nanoskali", objasnio je Kumar.
Gangovi studenti na Columbiji zatim su demonstrirali kako se platforma za sastavljanje može koristiti za pokretanje organizacije dviju različitih vrsta materijala s kemijskim i optičkim funkcijama. U jednom su slučaju spojili dva enzima, stvarajući 3-D nizove s velikom gustoćom pakiranja. Iako su enzimi ostali kemijski nepromijenjeni, pokazali su četverostruko povećanje enzimske aktivnosti. Ovi "nanoreaktori" mogli bi se koristiti za manipuliranje kaskadnim reakcijama i omogućiti proizvodnju kemijski aktivnih materijala. Za demonstraciju optičkog materijala pomiješali su dvije različite boje kvantnih točaka — sićušnih nanokristala koji se koriste za izradu televizijskih zaslona s visokom zasićenošću boja i svjetlinom. Slike snimljene fluorescentnim mikroskopom pokazale su da je formirana rešetka zadržala čistoću boje ispod granice difrakcije (valne duljine) svjetlosti; ovo bi svojstvo moglo omogućiti značajno poboljšanje razlučivosti u raznim zaslonskim i optičkim komunikacijskim tehnologijama.
"Moramo ponovno razmisliti o tome kako se materijali mogu oblikovati i kako funkcioniraju", rekao je Gang. „Redizajn materijala možda neće biti potreban; jednostavno pakiranje postojećih materijala na nove načine moglo bi poboljšati njihova svojstva. Potencijalno bi naša platforma mogla biti tehnologija koja omogućuje 'izvan proizvodnje 3-D ispisa' za kontrolu materijala u puno manjim razmjerima i s većom raznolikošću materijala i dizajniranim sastavima. Korištenje istog pristupa za formiranje 3-D rešetki od željenih nano-objekata različitih klasa materijala, integriranje onih koji bi se inače smatrali nekompatibilnim, moglo bi revolucionirati nanoproizvodnju.”
Materijali osigurani od strane DOE/Brookhaven National Laboratory. Napomena: Sadržaj se može uređivati za stil i duljinu.
Primajte najnovije vijesti o znanosti uz besplatne biltene e-pošte ScienceDailyja, ažurirane dnevno i tjedno. Ili pregledajte newsfeedove koji se ažuriraju svakog sata u vašem RSS čitaču:
Recite nam što mislite o ScienceDailyju — pozdravljamo i pozitivne i negativne komentare. Imate li problema s korištenjem stranice? Pitanja?
Vrijeme objave: 4. srpnja 2022