Учените са разработили платформа за сглобяване на наноразмерни материални компоненти или „нано-обекти“ от много различни видове – неорганични или органични – в желани 3-D структури. Въпреки че самосглобяването (SA) успешно се използва за организиране на наноматериали от няколко вида, процесът е изключително специфичен за системата, генерирайки различни структури въз основа на присъщите свойства на материалите. Както се съобщава в статия, публикувана днес в Nature Materials, тяхната нова ДНК-програмируема нанофабрикационна платформа може да се приложи за организиране на различни 3-D материали по същите предписани начини в наномащаба (милиардни части от метър), където уникалните оптични, химически , и се появяват други свойства.
„Една от основните причини, поради които SA не е предпочитана техника за практически приложения, е, че един и същ процес на SA не може да бъде приложен върху широка гама от материали за създаване на идентични 3-D подредени масиви от различни нанокомпоненти“, обясни съответният автор Олег Ганг , ръководител на групата за меки и бионаноматериали в Центъра за функционални наноматериали (CFN) — Служба за потребители на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) в Национална лаборатория Брукхейвън — и професор по химическо инженерство и по приложна физика и наука за материалите в Columbia Engineering. „Тук отделихме SA процеса от свойствата на материала, като проектирахме твърди полиедрични ДНК рамки, които могат да капсулират различни неорганични или органични нано-обекти, включително метали, полупроводници и дори протеини и ензими.“
Учените създадоха синтетични рамки на ДНК във формата на куб, октаедър и тетраедър. Вътре в рамките има ДНК „ръка“, към които могат да се свържат само нано-обекти с комплементарна ДНК последователност. Тези материални воксели - интеграцията на ДНК рамката и нано-обекта - са градивните елементи, от които могат да бъдат направени макромащабни 3-D структури. Рамките се свързват помежду си, независимо от това какъв вид нано-обект е вътре (или не) според допълващите се последователности, с които са кодирани в техните върхове. В зависимост от формата си, рамките имат различен брой върхове и по този начин образуват напълно различни структури. Всички нано-обекти, хоствани вътре в рамките, приемат тази специфична структура на рамката.
За да демонстрират своя подход на сглобяване, учените избраха метални (злато) и полупроводникови (кадмиев селенид) наночастици и бактериален протеин (стрептавидин) като неорганични и органични нано-обекти, които да бъдат поставени в рамките на ДНК. Първо, те потвърдиха целостта на ДНК рамките и образуването на материални воксели чрез изобразяване с електронни микроскопи в CFN Electron Microscopy Facility и Van Andel Institute, който разполага с набор от инструменти, които работят при криогенни температури за биологични проби. След това те изследваха 3-D решетъчните структури в кохерентното твърдо разсейване на рентгенови лъчи и лъчите на разсейване на сложни материали на Националния синхротронен светлинен източник II (NSLS-II) - друго потребителско съоръжение на DOE Office of Science в Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky, професор по химическо инженерство Санат Кумар и неговата група извършиха изчислително моделиране, разкривайки, че експериментално наблюдаваните решетъчни структури (базирани на моделите на разсейване на рентгеновите лъчи) са най-термодинамично стабилните, които материалните воксели могат да образуват.
„Тези материални воксели ни позволяват да започнем да използваме идеи, извлечени от атоми (и молекули) и кристалите, които те образуват, и да пренесем това обширно знание и база данни към системи от интерес в наномащаба“, обясни Кумар.
След това студентите на Gang в Колумбия демонстрираха как платформата за сглобяване може да се използва за управление на организацията на два различни вида материали с химически и оптични функции. В един случай те съвместно сглобяват два ензима, създавайки 3-D масиви с висока плътност на опаковане. Въпреки че ензимите остават химически непроменени, те показват около четирикратно увеличение на ензимната активност. Тези „нанореактори“ могат да се използват за манипулиране на каскадни реакции и да позволят производството на химически активни материали. За демонстрацията на оптичния материал те смесиха два различни цвята квантови точки - малки нанокристали, които се използват за направата на телевизионни дисплеи с висока наситеност на цветовете и яркост. Изображенията, заснети с флуоресцентен микроскоп, показват, че образуваната решетка поддържа чистота на цвета под границата на дифракция (дължина на вълната) на светлината; това свойство може да позволи значително подобрение на разделителната способност в различни дисплейни и оптични комуникационни технологии.
„Трябва да преосмислим как могат да се образуват материали и как функционират“, каза Ганг. „Редизайнът на материала може да не е необходим; простото опаковане на съществуващи материали по нови начини може да подобри техните свойства. Потенциално нашата платформа може да бъде позволяваща технология „отвъд производството на 3-D печат“ за контрол на материали в много по-малки мащаби и с по-голямо разнообразие от материали и проектирани композиции. Използването на същия подход за формиране на 3-D решетки от желани нано-обекти от различни класове материали, интегриране на тези, които иначе биха се считали за несъвместими, може да революционизира нанопроизводството.
Материали, предоставени от DOE/Национална лаборатория Brookhaven. Забележка: Съдържанието може да бъде редактирано за стил и дължина.
Получавайте най-новите научни новини с безплатните имейл бюлетини на ScienceDaily, актуализирани ежедневно и ежеседмично. Или вижте ежечасно актуализирани емисии новини във вашия RSS четец:
Кажете ни какво мислите за ScienceDaily — приветстваме както положителните, така и отрицателните коментари. Имате ли проблеми с използването на сайта? въпроси?
Време на публикуване: 04 юли 2022 г