Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια πλατφόρμα για τη συναρμολόγηση των νανοσωματιδιακών υλικών συστατικών ή τα "νανο-αντικείμενα", των πολύ διαφορετικών τύπων-ανόργανων ή οργανικών-σε επιθυμητές δομές 3-D. Αν και η αυτοσυναρμολόγηση (SA) έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την οργάνωση νανοϋλικών διαφόρων ειδών, η διαδικασία ήταν εξαιρετικά ειδική για το σύστημα, δημιουργώντας διαφορετικές δομές που βασίζονται στις εγγενείς ιδιότητες των υλικών. Όπως αναφέρθηκε σε ένα έγγραφο που δημοσιεύθηκε σήμερα σε υλικά της φύσης, η νέα πλατφόρμα Nanofabrication που έχει προκύψει DNA μπορεί να εφαρμοστεί για να οργανώσει μια ποικιλία υλικών 3-D με τους ίδιους προδιαγεγραμμένους τρόπους στη νανοκλίμακα (δισεκατομμύρια ενός μέτρου), όπου προκύπτουν μοναδικές οπτικές, χημικές και άλλες ιδιότητες.
"Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους η SA δεν είναι μια τεχνική επιλογής για πρακτικές εφαρμογές είναι ότι η ίδια διαδικασία SA δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα υλικών για τη δημιουργία πανομοιότυπων 3-D παραγγέλλων από διαφορετικά νανοκομονικά", εξήγησε ο αντίστοιχος συγγραφέας Oleg Gang, ηγέτης του Soft and Bio Nanomaterials της ομάδας στο κέντρο για τα λειτουργικά νανομιά (CFN) Εθνικό Εργαστήριο - και Καθηγητής Χημικής Μηχανικής και Εφαρμοσμένης Φυσικής και Επιστήμης Υλικών στη Μηχανική της Κολούμπια. "Εδώ, αποσυνδέσαμε τη διαδικασία SA από τις ιδιότητες του υλικού σχεδιάζοντας άκαμπτα πλαίσια πολυεδρικού DNA που μπορούν να ενσωματώνουν διάφορα ανόργανα ή οργανικά νανο-αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων, ημιαγωγών και ακόμη και πρωτεϊνών και ενζύμων".
Οι επιστήμονες σχεδίαζαν τα συνθετικά DNA πλαίσια με τη μορφή ενός κύβου, οκταεδρικού και τετράεδρου. Μέσα στα πλαίσια υπάρχουν "βραχίονες" DNA που μόνο τα νανο-αντικείμενα με τη συμπληρωματική αλληλουχία DNA μπορεί να δεσμεύσει. Αυτά τα υλικά voxels-η ενσωμάτωση του πλαισίου DNA και του νανο-αντικειμένου-είναι τα δομικά στοιχεία από τα οποία μπορούν να γίνουν δομές MacroScale 3-D. Τα πλαίσια συνδέονται μεταξύ τους ανεξάρτητα από το τι είδους νανο-αντικείμενο είναι μέσα (ή όχι) σύμφωνα με τις συμπληρωματικές αλληλουχίες με τις οποίες κωδικοποιούνται στις κορυφές τους. Ανάλογα με το σχήμα τους, τα πλαίσια έχουν διαφορετικό αριθμό κορυφών και έτσι σχηματίζουν εντελώς διαφορετικές δομές. Οποιαδήποτε νανο-αντικείμενα που φιλοξενείται μέσα στα πλαίσια παίρνουν τη συγκεκριμένη δομή πλαισίου.
Για να αποδείξουν την προσέγγιση της συναρμολόγησης, οι επιστήμονες επέλεξαν νανοσωματίδια μεταλλικών (χρυσών) και ημιαγώγιμων (σελενίου του καδμίου) και βακτηριακής πρωτεΐνης (στρεπταβιδίνης) ως ανόργανα και οργανικά νανο-αντικείμενα για να τοποθετηθούν μέσα στα πλαίσια DNA. Πρώτον, επιβεβαίωσαν την ακεραιότητα των πλαισίων DNA και τον σχηματισμό των υλικών voxels με απεικόνιση με ηλεκτρονικά μικροσκόπια στη μονάδα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας CFN και το Ινστιτούτο Van Andel, το οποίο διαθέτει μια σειρά από όργανα που λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες για βιολογικά δείγματα. Στη συνέχεια διερεύνησαν τις δομές πλέγματος 3-D στη συνεκτική σκληρή σκέδαση ακτίνων Χ και τα σύνθετα υλικά σκέδασης των ακτίνων της Εθνικής Συγχροτρόνης φωτός II (NSLS-II). Η Columbia Engineering Bykhovsky καθηγητής χημικής μηχανικής Sanat Kumar και η ομάδα του πραγματοποίησαν υπολογιστική μοντελοποίηση αποκαλύπτοντας ότι οι πειραματικά παρατηρούμενες δομές πλέγματος (με βάση τα πρότυπα σκέδασης ακτίνων Χ) ήταν οι πιο θερμοδυναμικά σταθερές που θα μπορούσαν να σχηματίσουν το υλικό voxels.
"Αυτά τα υλικά voxels μας επιτρέπουν να αρχίσουμε να χρησιμοποιούμε ιδέες που προέρχονται από άτομα (και μόρια) και από τους κρυστάλλους που σχηματίζουν και μεταφέρουν αυτή τη τεράστια γνώση και βάση δεδομένων σε συστήματα ενδιαφέροντος στη νανοκλίμακα", εξήγησε ο Kumar.
Οι μαθητές της συμμορίας στην Κολούμπια έδειξαν στη συνέχεια πώς η πλατφόρμα συναρμολόγησης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να οδηγήσει την οργάνωση δύο διαφορετικών ειδών υλικών με χημικές και οπτικές λειτουργίες. Σε μια περίπτωση, συνυπάρχουν δύο ένζυμα, δημιουργώντας συστοιχίες 3-D με υψηλή πυκνότητα συσκευασίας. Αν και τα ένζυμα παρέμειναν χημικά αμετάβλητα, έδειξαν περίπου τετραπλάσια αύξηση της ενζυματικής δραστικότητας. Αυτοί οι "νανοαντιδραστικοί" θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να χειριστούν τις αντιδράσεις του καταρράκτη και να επιτρέψουν την κατασκευή χημικά ενεργών υλικών. Για την επίδειξη οπτικού υλικού, αναμιγνύουν δύο διαφορετικά χρώματα κβαντικών κουκίδων - μικροσκοπικά νανοκρύσταλα που χρησιμοποιούνται για να κάνουν τηλεοπτικές οθόνες με υψηλό κορεσμό χρωμάτων και φωτεινότητα. Οι εικόνες που καταγράφηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού έδειξαν ότι το σχηματισμένο πλέγμα διατηρούσε την καθαρότητα χρώματος κάτω από το όριο περίθλασης (μήκος κύματος) του φωτός. Αυτή η ιδιότητα θα μπορούσε να επιτρέψει σημαντική βελτίωση της ανάλυσης σε διάφορες τεχνολογίες εμφάνισης και οπτικής επικοινωνίας.
"Πρέπει να ξανασκεφτούμε πώς μπορούν να σχηματιστούν τα υλικά και πώς λειτουργούν", δήλωσε ο Gang. "Ο επανασχεδιασμός των υλικών μπορεί να μην είναι απαραίτητος. Απλά η συσκευασία των υφιστάμενων υλικών με νέους τρόπους θα μπορούσε να ενισχύσει τις ιδιότητές τους. Ενδεχομένως, η πλατφόρμα μας θα μπορούσε να είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει «πέρα από την 3-D εκτύπωσης κατασκευής» για τον έλεγχο των υλικών σε πολύ μικρότερες κλίμακες και με μεγαλύτερη υλική ποικιλία και σχεδιασμένες συνθέσεις. Χρησιμοποιώντας την ίδια προσέγγιση για να σχηματίσουν 3-D πλέγματα από επιθυμητά νανο-αντικείμενα διαφορετικών κλάσεων υλικών, ενσωματώνοντας εκείνες που διαφορετικά θα θεωρούνταν ασυμβίβαστες, θα μπορούσαν να φέρει επανάσταση στη νανοσωματιδιακή παραγωγή ».
Υλικά που παρέχονται από το Εθνικό Εργαστήριο DOE/Brookhaven. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να επεξεργαστεί για στυλ και μήκος.
Αποκτήστε τα τελευταία νέα της επιστήμης με τα δωρεάν ενημερωτικά δελτία ηλεκτρονικού ταχυδρομείου της ScienceDaily, ενημερωμένα καθημερινά και εβδομαδιαία. Ή δείτε τα ωριαία ενημερωμένα newsfeeds στον αναγνώστη RSS σας:
Πείτε μας τι πιστεύετε για το ScienceDaily - καλωσορίζουμε τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά σχόλια. Έχετε προβλήματα με τη χρήση του ιστότοπου; Ερωτήσεις;
Χρόνος δημοσίευσης: Ιουλ-04-2022