Научници су развили платформу за састављање компоненти материјала нано величине, или „нано-објеката“, веома различитих типова — неорганских или органских — у жељене 3-Д структуре. Иако је само-састављање (СА) успешно коришћено за организовање наноматеријала неколико врста, процес је био изузетно специфичан за систем, стварајући различите структуре засноване на унутрашњим својствима материјала. Као што је објављено у чланку објављеном данас у Натуре Материалс, њихова нова ДНК-програмабилна нанофабрикациона платформа може се применити за организовање различитих 3-Д материјала на исте прописане начине на наноскали (милијардиним деловима метра), где је јединствена оптичка, хемијска , а појављују се и друга својства.
„Један од главних разлога зашто СА није техника избора за практичне примене је тај што се исти СА процес не може применити на широк спектар материјала за креирање идентичних 3-Д уређених низова од различитих нанокомпоненти,“ објаснио је одговарајући аутор Олег Ганг. , вођа групе за меке и био наноматеријале у Центру за функционалне наноматеријале (ЦФН) — Канцеларија за научне кориснике америчког Министарства енергетике (ДОЕ) на адреси Броокхавен Натионал Лаборатори — и професор хемијског инжењерства и примењене физике и науке о материјалима на Цолумбиа Енгинееринг. "Овде смо одвојили СА процес од својстава материјала тако што смо дизајнирали круте полиедарске ДНК оквире који могу да инкапсулирају 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 су ДНК „руке“ за које се могу везати само нано-објекти са комплементарном секвенцом ДНК. Ови материјални воксели — интеграција ДНК оквира и нано-објекта — су грађевни блокови од којих се могу направити 3-Д структуре макроразмера. Оквири се повезују једни са другима без обзира на то каква се врста нано-објекта налази унутра (или не) према комплементарним секвенцама којима су кодирани на својим врховима. У зависности од свог облика, рамови имају различит број врхова и тако формирају потпуно различите структуре. Сви нано-објекти смештени унутар оквира преузимају ту специфичну структуру оквира.
Да би демонстрирали свој приступ састављању, научници су одабрали металне (злато) и полупроводне (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 сликањем помоћу електронских микроскопа у ЦФН Елецтрон Мицросцопи Фацилити и Ван Андел институту, који има скуп инструмената који раде на криогеним температурама за биолошке узорке. Затим су испитали 3-Д решеткасте структуре на линијама снопа кохерентног тврдог расејања рендгенских зрака и расејања сложених материјала Националног извора синхротронске светлости ИИ (НСЛС-ИИ) - још једног објекта ДОЕ Канцеларије за науку у Броокхавен лабораторији. Цолумбиа Енгинееринг Бикховски Професор хемијског инжењерства Санат Кумар и његова група извели су рачунарско моделирање откривајући да су експериментално посматране структуре решетке (засноване на обрасцима расејања рендгенских зрака) биле термодинамички најстабилније које су материјални воксели могли да формирају.
„Ови материјални воксели нам омогућавају да почнемо да користимо идеје изведене из атома (и молекула) и кристала које они формирају, и 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, они су заједно саставили два ензима, стварајући 3-Д низове са високом густином паковања. Иако су ензими остали хемијски непромењени, показали су око четвороструко повећање ензимске активности. Ови „нанореактори“ би могли да се користе за манипулисање каскадним реакцијама и омогућавају производњу хемијски активних материјала. За демонстрацију оптичког материјала, помешали су две различите боје квантних тачака - сићушних нанокристала који се користе за прављење телевизијских екрана са високом засићеношћу боја и осветљеношћу. Слике снимљене флуоресцентним микроскопом показале су да је формирана решетка одржавала чистоћу боје испод границе дифракције (таласне дужине) светлости; ово својство би могло да омогући значајно побољшање резолуције у различитим технологијама приказа и оптичке комуникације.
„Морамо поново размислити како се материјали могу формирати и како функционишу“, рекао је Ганг. „Редизајн материјала можда неће бити потребан; једноставно паковање постојећих материјала на нове начине могло би побољшати њихова својства. Потенцијално, наша платформа би могла да буде омогућавајућа технологија „изван производње 3-Д штампања“ за контролу материјала у много мањим размерама и са већом разноврсношћу материјала и дизајнираним композицијама. Коришћење истог приступа за формирање 3-Д решетки од жељених нано-објеката различитих класа материјала, интегришући оне који би се иначе сматрали некомпатибилним, могло би револуционисати нанопроизводњу.
Материјале обезбедила ДОЕ/Броокхавен Натионал Лаборатори. Напомена: Садржај се може уређивати за стил и дужину.
Добијајте најновије научне вести уз бесплатне билтене е-поште компаније СциенцеДаили, који се ажурирају свакодневно и недељно. Или погледајте сваки сат ажуриране вести у вашем РСС читачу:
Реците нам шта мислите о СциенцеДаили-у — поздрављамо и позитивне и негативне коментаре. Имате ли проблема са коришћењем сајта? Питања?
Време поста: Јул-04-2022