Forskere har utviklet en plattform for å sette sammen nanostørrelsesmaterialekomponenter, eller «nanoobjekter», av svært forskjellige typer – uorganiske eller organiske – til ønskede 3D-strukturer. Selv om selvmontering (SA) har blitt brukt med hell til å organisere nanomaterialer av flere slag, har prosessen vært ekstremt systemspesifikk, og generert forskjellige strukturer basert på materialenes iboende egenskaper. Som rapportert i en artikkel publisert i dag i Nature Materials, kan deres nye DNA-programmerbare nanofabrikasjonsplattform brukes til å organisere en rekke 3D-materialer på de samme foreskrevne måtene på nanoskala (milliarddeler av en meter), hvor unike optiske, kjemiske og andre egenskaper dukker opp.
«En av hovedgrunnene til at SA ikke er en foretrukket teknikk for praktiske anvendelser, er at den samme SA-prosessen ikke kan brukes på tvers av et bredt spekter av materialer for å lage identiske 3D-ordnede matriser fra forskjellige nanokomponenter», forklarte korresponderende forfatter Oleg Gang, leder av Soft and Bio Nanomaterials Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) – et brukersenter for det amerikanske energidepartementet (DOE) Office of Science ved Brookhaven National Laboratory – og professor i kjemiteknikk og anvendt fysikk og materialvitenskap ved Columbia Engineering. «Her koblet vi SA-prosessen fra materialegenskaper ved å designe stive polyedriske DNA-rammer som kan innkapsle forskjellige uorganiske eller organiske nanoobjekter, inkludert metaller, halvledere og til og med proteiner og enzymer.»
Forskerne konstruerte syntetiske DNA-rammer i form av en kube, et oktaeder og et tetraeder. Inne i rammene er det DNA-"armer" som bare nanoobjekter med den komplementære DNA-sekvensen kan binde seg til. Disse materielle vokselene – integrasjonen av DNA-rammen og nanoobjektet – er byggesteinene som makroskala 3D-strukturer kan lages av. Rammene kobles til hverandre uavhengig av hva slags nanoobjekt som er inni (eller ikke) i henhold til de komplementære sekvensene de er kodet med i sine hjørner. Avhengig av formen har rammer et ulikt antall hjørner og danner dermed helt forskjellige strukturer. Eventuelle nanoobjekter som er plassert inne i rammene, tar på seg den spesifikke rammestrukturen.
For å demonstrere sin monteringsmetode valgte forskerne metalliske (gull) og halvledende (kadmiumselenid) nanopartikler og et bakterieprotein (streptavidin) som de uorganiske og organiske nanoobjektene som skulle plasseres inne i DNA-rammene. Først bekreftet de integriteten til DNA-rammene og dannelsen av materialvoksler ved avbildning med elektronmikroskop ved CFN Electron Microscopy Facility og Van Andel Institute, som har en serie instrumenter som opererer ved kryogene temperaturer for biologiske prøver. Deretter undersøkte de 3D-gitterstrukturene ved Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering-strålelinjene til National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en annen brukerfasilitet fra DOE Office of Science ved Brookhaven Lab. Sanat Kumar, professor i kjemiteknikk ved Columbia Engineering, og hans gruppe utførte beregningsmodellering som avslørte at de eksperimentelt observerte gitterstrukturene (basert på røntgenspredningsmønstrene) var de mest termodynamisk stabile som materialvokslene kunne danne.
«Disse materialvokslene lar oss begynne å bruke ideer utledet fra atomer (og molekyler) og krystallene de danner, og overføre denne enorme kunnskapen og databasen til systemer av interesse på nanoskala», forklarte Kumar.
Gangs studenter ved Columbia demonstrerte deretter hvordan monteringsplattformen kunne brukes til å drive organiseringen av to forskjellige typer materialer med kjemiske og optiske funksjoner. I ett tilfelle satte de sammen to enzymer, og skapte 3D-matriser med høy pakningstetthet. Selv om enzymene forble kjemisk uendret, viste de omtrent en firedobbel økning i enzymatisk aktivitet. Disse «nanoreaktorene» kunne brukes til å manipulere kaskadereaksjoner og muliggjøre fremstilling av kjemisk aktive materialer. For demonstrasjonen av det optiske materialet blandet de to forskjellige farger av kvanteprikker – små nanokrystaller som brukes til å lage TV-skjermer med høy fargemetning og lysstyrke. Bilder tatt med et fluorescensmikroskop viste at det dannede gitteret opprettholdt fargerenheten under diffraksjonsgrensen (bølgelengden) for lys; denne egenskapen kan muliggjøre betydelig forbedring av oppløsningen i ulike skjerm- og optiske kommunikasjonsteknologier.
«Vi må tenke nytt om hvordan materialer kan dannes og hvordan de fungerer», sa Gang. «Det er kanskje ikke nødvendig med materialomforming. Å bare pakke eksisterende materialer på nye måter kan forbedre egenskapene deres. Plattformen vår kan potensielt være en muliggjørende teknologi «utover 3D-printing» for å kontrollere materialer i mye mindre skalaer og med større materialvariasjon og designede sammensetninger. Å bruke samme tilnærming til å danne 3D-gitter fra ønskede nanoobjekter av forskjellige materialklasser, og integrere de som ellers ville blitt ansett som inkompatible, kan revolusjonere nanoproduksjon.»
Materialer levert av DOE/Brookhaven National Laboratory. Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.
Få de siste vitenskapsnyhetene med ScienceDailys gratis e-postnyhetsbrev, som oppdateres daglig og ukentlig. Eller se timebaserte nyhetsfeeder i RSS-leseren din:
Fortell oss hva du synes om ScienceDaily – vi tar gjerne imot både positive og negative kommentarer. Har du problemer med å bruke nettstedet? Spørsmål?
Publisert: 04.07.2022