Учените са разработили платформа за сглобяване на наноразмерни материални компоненти или „нанообекти“ от много различни видове – неорганични или органични – в желани 3D структури. Въпреки че самосглобяването (SA) е успешно използвано за организиране на наноматериали от няколко вида, процесът е изключително системно-специфичен, генерирайки различни структури въз основа на присъщите свойства на материалите. Както се съобщава в статия, публикувана днес в Nature Materials, тяхната нова ДНК-програмируема наноплатформа за производство може да се приложи за организиране на различни 3D материали по същите предписани начини в наномащаба (милиардни части от метъра), където се появяват уникални оптични, химични и други свойства.
„Една от основните причини, поради които самоаналитичният анализ (SA) не е предпочитана техника за практически приложения, е, че един и същ SA процес не може да се прилага в широк спектър от материали, за да се създадат идентични 3D подредени масиви от различни нанокомпоненти“, обясни съответният автор Олег Ганг, ръководител на Групата за меки и био наноматериали в Центъра за функционални наноматериали (CFN) - потребителски център на Службата за наука към Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) в Националната лаборатория Брукхейвън - и професор по химично инженерство и по приложна физика и материалознание в Columbia Engineering. „Тук ние отделихме SA процеса от свойствата на материалите, като проектирахме твърди полиедрични ДНК рамки, които могат да капсулират различни неорганични или органични нанообекти, включително метали, полупроводници и дори протеини и ензими.“
Учените са създали синтетични ДНК рамки във формата на куб, октаедър и тетраедър. Вътре в рамките се намират ДНК „ръка“, към които могат да се свържат само нанообектите с комплементарната ДНК последователност. Тези материални воксели – интеграцията на ДНК рамката и нанообект – са градивните елементи, от които могат да се изградят макромащабни 3D структури. Рамките се свързват помежду си, независимо от вида нанообект, който се намира вътре (или не), в зависимост от комплементарните последователности, с които са кодирани във върховете си. В зависимост от формата си, рамките имат различен брой върхове и по този начин образуват напълно различни структури. Всички нанообектите, разположени вътре в рамките, приемат тази специфична структура на рамката.
За да демонстрират своя подход към сглобяване, учените избрали метални (златни) и полупроводникови (кадмиев селенид) наночастици и бактериален протеин (стрептавидин) като неорганични и органични нанообекти, които да бъдат поставени в ДНК рамките. Първо, те потвърдили целостта на ДНК рамките и образуването на материални воксели чрез изобразяване с електронни микроскопи в съоръжението за електронна микроскопия CFN и Института Ван Андел, който разполага с набор от инструменти, работещи при криогенни температури за биологични проби. След това те изследвали 3D решетъчните структури в лъчевите линии за кохерентно твърдо рентгеново разсейване и разсейване на сложни материали на Националния синхротронен светлинен източник II (NSLS-II) - друг потребителски център на Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ в лабораторията Брукхейвън. Професорът по химично инженерство „Биховски“ от Колумбийския инженерен колеж и неговата група извършили изчислително моделиране, разкривайки, че експериментално наблюдаваните решетъчни структури (базирани на моделите на рентгеново разсейване) са най-термодинамично стабилните, които материалните воксели могат да образуват.
„Тези материални воксели ни позволяват да започнем да използваме идеи, получени от атоми (и молекули) и кристалите, които те образуват, и да пренесем тези огромни знания и база данни към системи от интерес в наномащаб“, обясни Кумар.
Студентите на Ганг в Колумбийския университет демонстрираха как платформата за сглобяване може да се използва за организиране на два различни вида материали с химични и оптични функции. В един от случаите те съвместно сглобиха два ензима, създавайки 3D масиви с висока плътност на опаковане. Въпреки че ензимите останаха химически непроменени, те показаха около четирикратно увеличение на ензимната активност. Тези „нанореактори“ биха могли 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, показаха, че образуваната решетка поддържа чистота на цветовете под дифракционната граница (дължина на вълната) на светлината; това свойство може да позволи значително подобрение на разделителната способност в различни технологии за дисплеи и оптична комуникация.
„Трябва да преосмислим как могат да се формират материалите и как функционират“, каза Ганг. „Препроектирането на материалите може да не е необходимо; простото опаковане на съществуващите материали по нови начини би могло да подобри техните свойства. Потенциално нашата платформа би могла да бъде технология, която „отвъд 3D печата“ за контрол на материали в много по-малки мащаби и с по-голямо разнообразие от материали и проектирани състави. Използването на същия подход за формиране на 3D решетки от желани нанообекти от различни класове материали, интегрирането на тези, които иначе биха се считали за несъвместими, би могло да революционизира нанопроизводството.“
Материали, предоставени от Министерството на енергетиката на САЩ/Националната лаборатория Брукхейвън. Забележка: Съдържанието може да бъде редактирано по отношение на стил и дължина.
Получавайте най-новите научни новини с безплатните имейл бюлетини на ScienceDaily, актуализирани ежедневно и седмично. Или преглеждайте актуализираните новинарски емисии на всеки час във вашия RSS четец:
Кажете ни какво мислите за ScienceDaily — приветстваме както положителни, така и отрицателни коментари. Имате ли проблеми с използването на сайта? Въпроси?
Време на публикуване: 04 юли 2022 г.