Znanstvenici su razvili platformu za sastavljanje nanokomponenti materijala, ili „nano-objekata“, vrlo različitih tipova - anorganskih ili organskih - u željene 3D strukture. Iako se samosastavljanje (SA) uspješno koristi za organiziranje nanomaterijala nekoliko vrsta, proces je bio izuzetno specifičan za sustav, generirajući različite strukture na temelju intrinzičnih svojstava materijala. Kao što je objavljeno u radu objavljenom danas u Nature Materials, njihova nova platforma za nanofabrikaciju koju je moguće programirati pomoću DNK može se primijeniti za organiziranje raznih 3D materijala na iste propisane načine na nanoskali (milijarditi dio metra), gdje se pojavljuju jedinstvena optička, kemijska i druga svojstva.
„Jedan od glavnih razloga zašto SA nije tehnika izbora za praktične primjene jest 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 dopisni autor Oleg Gang, voditelj Grupe za meke i bio nanomaterijale u Centru za funkcionalne nanomaterijale (CFN) - korisničkom centru Ureda za znanost američkog Ministarstva energetike (DOE) u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven - i profesor kemijskog inženjerstva te primijenjene fizike i znanosti o materijalima na Columbia Engineeringu. „Ovdje smo odvojili SA proces od svojstava materijala dizajniranjem krutih poliedarskih DNA okvira koji mogu enkapsulirati različite anorganske ili organske nanoobjekte, uključujući metale, poluvodiče, pa čak i proteine i enzime.“
Znanstvenici su konstruirali sintetske okvire DNK u obliku kocke, oktaedra i tetraedra. Unutar okvira nalaze se DNK "krakovi" na koje se mogu vezati samo nano-objekti s komplementarnim nizom DNK. Ovi materijalni vokseli - integracija okvira DNK i nano-objekta - su građevni blokovi od kojih se mogu izraditi makroskalne 3D strukture. Okviri se međusobno povezuju bez obzira na to kakav se nano-objekt nalazi unutra (ili ne) prema komplementarnim nizovima kojima su kodirani u svojim vrhovima. Ovisno o svom obliku, okviri imaju različit broj vrhova i stoga tvore potpuno različite strukture. Bilo koji nano-objekt smješten unutar okvira poprima tu specifičnu strukturu okvira.
Kako bi demonstrirali svoj pristup sastavljanju, znanstvenici su odabrali metalne (zlato) i poluvodičke (kadmij selenid) nanočestice te bakterijski protein (streptavidin) kao anorganske i organske nano-objekte koji će se smjestiti unutar okvira DNK. Prvo su potvrdili integritet okvira DNK i formiranje voksela materijala 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 složenih materijala Nacionalnog sinkrotronskog izvora svjetlosti II (NSLS-II) - još jednog korisničkog objekta DOE Ureda za znanost u laboratoriju Brookhaven. Profesor kemijskog inženjerstva Bykhovsky na Columbia Engineeringu, Sanat Kumar, i njegova grupa izveli su računalno modeliranje otkrivajući da su eksperimentalno opažene rešetkaste strukture (na temelju uzoraka raspršenja rendgenskih zraka) 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 te da prenesemo ovo ogromno znanje i bazu podataka u sustave od interesa na nanoskali“, objasnio je Kumar.
Gangovi studenti na Columbiji zatim su pokazali kako se platforma za sastavljanje može koristiti za pokretanje organizacije dviju različitih vrsta materijala s kemijskim i optičkim funkcijama. U jednom slučaju, zajedno su sastavili dva enzima, stvarajući 3D nizove s visokom gustoćom pakiranja. Iako su enzimi ostali kemijski nepromijenjeni, pokazali su otprilike četverostruko povećanje enzimske aktivnosti. Ovi „nanoreaktori“ mogli bi se koristiti za manipuliranje kaskadnim reakcijama i omogućiti izradu 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 formirana rešetka održava čistoću boje ispod granice difrakcije (valne duljine) svjetlosti; ovo svojstvo moglo bi omogućiti značajno poboljšanje rezolucije u raznim tehnologijama prikaza i optičke komunikacije.
„Moramo preispitati kako se materijali mogu oblikovati i kako funkcioniraju“, rekao je Gang. „Redizajn materijala možda nije potreban; jednostavno pakiranje postojećih materijala na nove načine moglo bi poboljšati njihova svojstva. Naša platforma potencijalno bi mogla biti tehnologija koja omogućuje 'izvan 3D proizvodnje' kako bi se kontrolirali materijali u mnogo manjim mjerilima i s većom raznolikošću materijala i dizajniranim sastavima. Korištenje istog pristupa za oblikovanje 3D rešetki od željenih nano-objekata različitih klasa materijala, integriranje onih koji bi se inače smatrali nekompatibilnima, moglo bi revolucionirati nanoproizvodnju.“
Materijali koje je osigurao DOE/Nacionalni laboratorij Brookhaven. Napomena: Sadržaj se može uređivati s obzirom na stil i duljinu.
Primajte najnovije znanstvene vijesti putem besplatnih e-mail biltena ScienceDailyja, koji se ažuriraju dnevno i tjedno. Ili pogledajte ažurirane vijesti svakog sata u svom RSS čitaču:
Recite nam što mislite o ScienceDailyju — pozdravljamo i pozitivne i negativne komentare. Imate li problema s korištenjem stranice? Pitanja?
Vrijeme objave: 04.07.2022.