Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια πλατφόρμα για τη συναρμολόγηση νανοδιαστάσεων υλικών συστατικών, ή «νανοαντικειμένων», πολύ διαφορετικών τύπων - ανόργανων ή οργανικών - σε επιθυμητές τρισδιάστατες δομές. Αν και η αυτοσυναρμολόγηση (SA) έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την οργάνωση νανοϋλικών διαφόρων ειδών, η διαδικασία είναι εξαιρετικά συστημικά εξειδικευμένη, δημιουργώντας διαφορετικές δομές με βάση τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών. Όπως αναφέρεται σε μια δημοσίευση που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature Materials, η νέα πλατφόρμα νανοκατασκευής που προγραμματίζεται με DNA μπορεί να εφαρμοστεί για την οργάνωση μιας ποικιλίας τρισδιάστατων υλικών με τους ίδιους προκαθορισμένους τρόπους σε νανοκλίμακα (δισεκατομμυριοστά του μέτρου), όπου αναδύονται μοναδικές οπτικές, χημικές και άλλες ιδιότητες.
«Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους η SA δεν αποτελεί τεχνική επιλογής για πρακτικές εφαρμογές είναι ότι η ίδια διαδικασία SA δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα υλικών για τη δημιουργία πανομοιότυπων τρισδιάστατα διατεταγμένων συστοιχιών από διαφορετικά νανοσυστατικά», εξήγησε ο αντίστοιχος συγγραφέας Oleg Gang, επικεφαλής της Ομάδας Μαλακών και Βιοϋλικών στο Κέντρο Λειτουργικών Νανοϋλικών (CFN) - μια Εγκατάσταση Χρηστών του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven - και καθηγητής Χημικής Μηχανικής και Εφαρμοσμένης Φυσικής και Επιστήμης Υλικών στο Columbia Engineering. «Εδώ, αποσυνδέσαμε τη διαδικασία SA από τις ιδιότητες των υλικών σχεδιάζοντας άκαμπτα πολυεδρικά πλαίσια DNA που μπορούν να ενθυλακώσουν διάφορα ανόργανα ή οργανικά νανοαντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων, ημιαγωγών, ακόμη και πρωτεϊνών και ενζύμων».
Οι επιστήμονες κατασκεύασαν συνθετικά πλαίσια DNA σε σχήμα κύβου, οκταέδρου και τετραέδρου. Μέσα στα πλαίσια υπάρχουν «βραχίονες» DNA στους οποίους μπορούν να συνδεθούν μόνο νανοαντικείμενα με συμπληρωματική αλληλουχία DNA. Αυτά τα υλικά voxels - η ενσωμάτωση του πλαισίου DNA και του νανοαντικειμένου - είναι τα δομικά στοιχεία από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν τρισδιάστατες δομές μακροκλίμακας. Τα πλαίσια συνδέονται μεταξύ τους ανεξάρτητα από το είδος του νανοαντικειμένου που βρίσκεται 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 νανοαντικείμενα φιλοξενούνται μέσα στα πλαίσια υιοθετούν αυτή τη συγκεκριμένη δομή πλαισίου.
Για να επιδείξουν την προσέγγισή τους στη συναρμολόγηση, οι επιστήμονες επέλεξαν μεταλλικά (χρυσός) και ημιαγώγιμα (σεληνίδιο του καδμίου) νανοσωματίδια και μια βακτηριακή πρωτεΐνη (στρεπταβιδίνη) ως ανόργανα και οργανικά νανοαντικείμενα που θα τοποθετηθούν μέσα στα πλαίσια DNA. Αρχικά, επιβεβαίωσαν την ακεραιότητα των πλαισίων DNA και τον σχηματισμό των voxel υλικών μέσω απεικόνισης με ηλεκτρονικά μικροσκόπια στην Εγκατάσταση Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας CFN και στο Ινστιτούτο Van Andel, το οποίο διαθέτει μια σειρά οργάνων που λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες για βιολογικά δείγματα. Στη συνέχεια, εξέτασαν τις τρισδιάστατες δομές πλέγματος στις γραμμές δέσμης Coherent Hard X-ray Scattering και Complex Materials Scattering της Εθνικής Πηγής Φωτός Συγχρότρον II (NSLS-II) - μια άλλη Εγκατάσταση Χρήσης του Γραφείου Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας στο Εργαστήριο Brookhaven. Ο καθηγητής Χημικής Μηχανικής Columbia Bykhovsky, 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 τα voxel υλικών.
«Αυτά τα ογκοστοιχεία υλικού μας επιτρέπουν να αρχίσουμε να χρησιμοποιούμε ιδέες που προέρχονται από άτομα (και μόρια) και τους κρυστάλλους που σχηματίζουν, και να μεταφέρουμε αυτήν την τεράστια γνώση και βάση δεδομένων σε συστήματα ενδιαφέροντος σε νανοκλίμακα», εξήγησε ο Κουμάρ.
Οι φοιτητές του Gang στο Πανεπιστήμιο Columbia επέδειξαν στη συνέχεια πώς η πλατφόρμα συναρμολόγησης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την οργάνωση δύο διαφορετικών ειδών υλικών με χημικές και οπτικές λειτουργίες. Σε μια περίπτωση, συναρμολόγησαν δύο ένζυμα, δημιουργώντας τρισδιάστατες συστοιχίες με υψηλή πυκνότητα συσκευασίας. Αν και τα ένζυμα παρέμειναν χημικά αμετάβλητα, έδειξαν περίπου τετραπλάσια αύξηση στην ενζυμική δραστηριότητα. Αυτοί οι «νανοαντιδραστήρες» θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον χειρισμό καταρρακτωδών αντιδράσεων και την κατασκευή χημικά ενεργών υλικών. Για την επίδειξη οπτικού υλικού, ανάμεικτα δύο διαφορετικά χρώματα κβαντικών κουκκίδων - μικροσκοπικούς νανοκρυστάλλους που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τηλεοπτικών οθονών με υψηλό κορεσμό χρωμάτων και φωτεινότητα. Οι εικόνες που τραβήχτηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού έδειξαν ότι το σχηματισμένο πλέγμα διατήρησε την καθαρότητα των χρωμάτων κάτω από το όριο περίθλασης (μήκος κύματος) του φωτός. Αυτή η ιδιότητα θα μπορούσε να επιτρέψει σημαντική βελτίωση της ανάλυσης σε διάφορες τεχνολογίες οθονών και οπτικών επικοινωνιών.
«Πρέπει να επανεξετάσουμε τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να σχηματιστούν τα υλικά και τον τρόπο λειτουργίας τους», δήλωσε ο Γκανγκ. «Ο επανασχεδιασμός των υλικών μπορεί να μην είναι απαραίτητος. Η απλή συσκευασία των υπαρχόντων υλικών με νέους τρόπους θα μπορούσε να βελτιώσει τις ιδιότητές τους. Δυνητικά, η πλατφόρμα μας θα μπορούσε να αποτελέσει μια τεχνολογία που θα επέτρεπε τον έλεγχο υλικών «πέρα από την κατασκευή με τρισδιάστατη εκτύπωση» σε πολύ μικρότερες κλίμακες και με μεγαλύτερη ποικιλία υλικών και σχεδιασμένες συνθέσεις. Η χρήση της ίδιας προσέγγισης για τον σχηματισμό τρισδιάστατων πλεγμάτων από επιθυμητά νανοαντικείμενα διαφορετικών κατηγοριών υλικών, ενσωματώνοντας εκείνα που διαφορετικά θα θεωρούνταν ασύμβατα, θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στη νανοκατασκευή».
Υλικά που παρέχονται από το DOE/Brookhaven National Laboratory. Σημείωση: Το περιεχόμενο ενδέχεται να υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και μήκους.
Λάβετε τα τελευταία επιστημονικά νέα με τα δωρεάν ενημερωτικά δελτία ηλεκτρονικού ταχυδρομείου του ScienceDaily, τα οποία ενημερώνονται καθημερινά και εβδομαδιαία. Ή δείτε τις ροές ειδήσεων που ενημερώνονται ανά ώρα στον αναγνώστη RSS:
Πείτε μας τη γνώμη σας για το ScienceDaily — καλωσορίζουμε τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά σχόλια. Έχετε προβλήματα με τη χρήση του ιστότοπου; Έχετε ερωτήσεις;
Ώρα δημοσίευσης: 04 Ιουλίου 2022