Научници су развили платформу за склапање нанокомпонентних материјала, или „нано-објеката“, веома различитих типова – неорганских или органских – у жељене тродимензионалне структуре. Иако је самосклапање (СА) успешно коришћено за организовање наноматеријала неколико врста, процес је био изузетно специфичан за систем, генеришући различите структуре на основу суштинских својстава материјала. Како је објављено у раду објављеном данас у часопису Nature Materials, њихова нова ДНК-програмабилна платформа за нанофабрикацију може се применити за организовање различитих тродимензионалних материјала на исте прописане начине на наноскали (милијардити делови метра), где се појављују јединствена оптичка, хемијска и друга својства.
„Један од главних разлога зашто самоанализирајућа алуминијумска ампула (SA) није техника избора за практичну примену јесте тај што се исти SA процес не може применити на широк спектар материјала да би се створили идентични тродимензионални уређени низови од различитих нанокомпоненти“, објаснио је одговарајући аутор Олег Ганг, вођа Групе за меке и био наноматеријале у Центру за функционалне наноматеријале (CFN) - корисничком објекту Канцеларије за науку Министарства енергетике САД (DOE) у Националној лабораторији Брукхејвен - и професор хемијског инжењерства и примењене физике и науке о материјалима на Колумбија инжењерском универзитету. „Овде смо одвојили SA процес од својстава материјала дизајнирањем крутих полиедарских ДНК оквира који могу да обухвате различите неорганске или органске нано-објекте, укључујући метале, полупроводнике, па чак и протеине и ензиме.“
Научници су конструисали синтетичке ДНК оквире у облику коцке, октаедра и тетраедра. Унутар оквира налазе се ДНК „кракови“ за које се могу везати само нанообјекти са комплементарном ДНК секвенцом. Ови материјални воксели – интеграција ДНК оквира и нанообјекта – су градивни блокови од којих се могу направити макроразмерне тродимензионалне структуре. Оквири се међусобно повезују без обзира на то каква се врста нанообјекта налази унутра (или не), у складу са комплементарним секвенцама којима су кодирани у својим врховима. У зависности од свог облика, оквири имају различит број врхова и стога формирају потпуно различите структуре. Било који нанообјекат који се налази унутар оквира поприма ту специфичну структуру оквира.
Да би демонстрирали свој приступ склапању, научници су одабрали металне (злато) и полупроводничке (кадмијум селенид) наночестице и бактеријски протеин (стрептавидин) као неорганске и органске нано-објекте који ће бити смештени унутар ДНК оквира. Прво, потврдили су интегритет ДНК оквира и формирање материјалних воксела снимањем електронским микроскопима у објекту за електронску микроскопију CFN и институту Ван Андел, који има низ инструмената који раде на криогеним температурама за биолошке узорке. Затим су испитали 3Д структуре решетки на линијама снопа кохерентног тврдог рендгенског расејања и расејања комплексних материјала Националног синхротронског извора светлости II (NSLS-II) — још једног корисничког објекта Канцеларије за науку Министарства енергетике у лабораторији Брукхејвен. Професор хемијског инжењерства Биховски на Колумбија инжењерском универзитету и његова група извршили су рачунарско моделирање, откривајући да су експериментално посматране структуре решетки (на основу образаца расејања рендгенских зрака) термодинамички најстабилније које материјални воксели могу да формирају.
„Ови материјални воксели нам омогућавају да почнемо да користимо идеје изведене из атома (и молекула) и кристала које они формирају, и да пренесемо ово огромно знање и базу података у системе од интереса на наноскали“, објаснио је Кумар.
Гангови студенти на Колумбији су затим демонстрирали како се платформа за склапање може користити за покретање организације две различите врсте материјала са хемијским и оптичким функцијама. У једном случају, ко-склопили су два ензима, стварајући тродимензионалне низове са високом густином паковања. Иако су ензими остали хемијски непромењени, показали су око четири пута већу ензимску активност. Ови „нанореактори“ могли би се користити за манипулацију каскадним реакцијама и омогућавање израде хемијски активних материјала. За демонстрацију оптичког материјала, помешали су две различите боје квантних тачака – ситних нанокристала који се користе за израду телевизијских дисплеја са високом засићеношћу боја и осветљеношћу. Слике снимљене флуоресцентним микроскопом показале су да формирана решетка одржава чистоћу боје испод границе дифракције (таласне дужине) светлости; ово својство би могло омогућити значајно побољшање резолуције у различитим технологијама приказивања и оптичке комуникације.
„Морамо поново размислити о томе како се материјали могу формирати и како функционишу“, рекао је Ганг. „Редизајн материјала можда није неопходан; једноставно паковање постојећих материјала на нове начине могло би побољшати њихова својства. Потенцијално, наша платформа би могла бити технологија која омогућава „изван производње 3Д штампањем“ за контролу материјала у много мањим размерама и са већом разноликошћу материјала и дизајнираним саставима. Коришћење истог приступа за формирање 3Д решетки од жељених нано-објеката различитих класа материјала, интегрисање оних који би се иначе сматрали некомпатибилним, могло би револуционисати нанопроизводњу.“
Материјали су обезбедили Министарство енергетике САД/Национална лабораторија Брукхејвен. Напомена: Садржај може бити уређен због стила и дужине.
Добијајте најновије вести из науке уз бесплатне имејл билтене ScienceDaily-ја, који се ажурирају дневно и недељно. Или прегледајте вести које се ажурирају сваког сата у вашем RSS читачу:
Реците нам шта мислите о ScienceDaily-ју — радо примамо и позитивне и негативне коментаре. Имате проблема са коришћењем сајта? Питања?
Време објаве: 04.07.2022.