Oamenii de știință au dezvoltat o platformă pentru asamblarea componentelor materiale de dimensiuni nanometrice, sau „nano-obiecte”, de tipuri foarte diferite - anorganice sau organice - în structuri 3D dorite. Deși autoasamblarea (SA) a fost utilizată cu succes pentru a organiza nanomateriale de mai multe tipuri, procesul a fost extrem de specific sistemului, generând structuri diferite pe baza proprietăților intrinseci ale materialelor. După cum se arată într-un articol publicat astăzi în Nature Materials, noua lor platformă de nanofabricare programabilă cu ADN poate fi aplicată pentru a organiza o varietate de materiale 3D în aceleași moduri prescrise la nanoscară (miliarde de metru), unde apar proprietăți optice, chimice și de altă natură unice.
„Unul dintre principalele motive pentru care AS nu este o tehnică preferată pentru aplicații practice este că același proces SA nu poate fi aplicat pe o gamă largă de materiale pentru a crea rețele ordonate 3D identice din nanocomponente diferite”, a explicat autorul corespondent Oleg Gang, liderul Grupului de Nanomateriale Moi și Bio de la Centrul pentru Nanomateriale Funcționale (CFN) - o facilitate pentru utilizatori științifici a Departamentului de Energie al SUA (DOE) de la Laboratorul Național Brookhaven - și profesor de Inginerie Chimică și de Fizică Aplicată și Știința Materialelor la Columbia Engineering. „Aici, am decuplat procesul SA de proprietățile materialelor prin proiectarea unor cadre rigide poliedrice de ADN care pot încapsula diverse nano-obiecte anorganice sau organice, inclusiv metale, semiconductori și chiar proteine și enzime.”
Oamenii de știință au conceput cadre sintetice de ADN în formă de cub, octaedru și tetraedru. În interiorul cadrelor se află „brațe” de ADN de care se pot lega doar nano-obiectele cu secvența complementară de ADN. Acești voxeli materiali - integrarea cadrului de ADN și a nano-obiectului - sunt elementele constitutive din care se pot realiza structuri 3D la scară macroscopică. Cadrele se conectează între ele, indiferent de tipul de nano-obiect din interior (sau nu), în funcție de secvențele complementare cu care sunt codificate la vârfurile lor. În funcție de forma lor, cadrele au un număr diferit de vârfuri și, prin urmare, formează structuri complet diferite. Orice nano-obiect găzduit în interiorul cadrelor preia acea structură specifică a cadrului.
Pentru a demonstra abordarea lor de asamblare, oamenii de știință au selectat nanoparticule metalice (aur) și semiconductoare (seleniură de cadmiu) și o proteină bacteriană (streptavidină) ca nano-obiecte anorganice și organice care urmau să fie plasate în interiorul cadrelor de ADN. Mai întâi, au confirmat integritatea cadrelor de ADN și formarea voxelilor materiali prin imagistică cu microscoape electronice la Centrul de Microscopie Electronică CFN și la Institutul Van Andel, care are o suită de instrumente care funcționează la temperaturi criogenice pentru probe biologice. Apoi, au sondat structurile de rețea 3-D la liniile de fascicul Coherent Hard X-ray Scattering și Complex Materials Scattering ale National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - o altă unitate a utilizatorilor DOE Office of Science din cadrul Laboratorului Brookhaven. Profesorul de Inginerie Chimică Columbia Engineering Bykhovsky, Sanat Kumar, și grupul său au efectuat modelări computaționale care au dezvăluit că structurile de rețea observate experimental (bazate pe modelele de împrăștiere a razelor X) erau cele mai stabile din punct de vedere termodinamic pe care voxelii materiali le-au putut forma.
„Acești voxeli materiali ne permit să începem să folosim idei derivate din atomi (și molecule) și cristalele pe care le formează și să transferăm aceste vaste cunoștințe și baze de date către sisteme de interes la nanoscală”, a explicat Kumar.
Studenții lui Gang de la Columbia au demonstrat apoi cum platforma de asamblare ar putea fi utilizată pentru a conduce organizarea a două tipuri diferite de materiale cu funcții chimice și optice. Într-un caz, au co-asamblat două enzime, creând rețele 3D cu o densitate mare de împachetare. Deși enzimele au rămas neschimbate chimic, ele au arătat o creștere de aproximativ patru ori a activității enzimatice. Aceste „nanoreactoare” ar putea fi utilizate pentru a manipula reacțiile în cascadă și a permite fabricarea de materiale active chimic. Pentru demonstrația materialului optic, au amestecat două culori diferite de puncte cuantice - nanocristale minuscule care sunt utilizate pentru a realiza afișaje de televiziune cu saturație și luminozitate ridicate ale culorilor. Imaginile capturate cu un microscop cu fluorescență au arătat că rețeaua formată a menținut puritatea culorii sub limita de difracție (lungimea de undă) a luminii; această proprietate ar putea permite o îmbunătățire semnificativă a rezoluției în diverse tehnologii de afișare și comunicații optice.
„Trebuie să regândim modul în care pot fi formate materialele și cum funcționează acestea”, a spus Gang. „Reproiectarea materialelor s-ar putea să nu fie necesară; simpla ambalare a materialelor existente în moduri noi ar putea îmbunătăți proprietățile acestora. Potențial, platforma noastră ar putea fi o tehnologie care să permită «dincolo de fabricația prin imprimare 3D» controlul materialelor la scări mult mai mici și cu o varietate mai mare de materiale și compoziții proiectate. Utilizarea aceleiași abordări pentru a forma rețele 3D din nano-obiecte dorite din diferite clase de materiale, integrând pe cele care altfel ar fi considerate incompatibile, ar putea revoluționa nanofabricarea.”
Materiale furnizate de DOE/Laboratorul Național Brookhaven. Notă: Conținutul poate fi editat din punct de vedere al stilului și lungimii.
Primiți cele mai recente știri științifice cu buletinele informative gratuite prin e-mail de la ScienceDaily, actualizate zilnic și săptămânal. Sau vizualizați fluxuri de știri actualizate orar în cititorul dvs. RSS:
Spune-ne ce părere ai despre ScienceDaily — primim cu brațele deschise atât comentariile pozitive, cât și cele negative. Ai probleme la utilizarea site-ului? Întrebări?
Data publicării: 04 iulie 2022