Vedci vyvinuli platformu na zostavovanie nanorozmerných materiálových komponentov alebo „nanoobjektov“ veľmi odlišných typov – anorganických alebo organických – do požadovaných 3D štruktúr. Hoci sa samozostavovanie (SA) úspešne používa na organizáciu nanomateriálov niekoľkých druhov, tento proces je extrémne systémovo špecifický a vytvára rôzne štruktúry založené na vnútorných vlastnostiach materiálov. Ako sa uvádza v článku publikovanom dnes v časopise Nature Materials, ich nová platforma pre nanofabrikáciu programovateľná pomocou DNA sa môže použiť na organizáciu rôznych 3D materiálov rovnakými predpísanými spôsobmi v nanoškále (miliardtiny metra), kde sa objavujú jedinečné optické, chemické a iné vlastnosti.
„Jedným z hlavných dôvodov, prečo SA nie je preferovanou technikou pre praktické aplikácie, je to, že rovnaký proces SA nemožno aplikovať na širokú škálu materiálov na vytvorenie identických 3D usporiadaných polí z rôznych nanokomponentov,“ vysvetlil zodpovedajúci autor Oleg Gang, vedúci skupiny pre mäkké a bio nanomateriály v Centre pre funkčné nanomateriály (CFN) – používateľskom zariadení Úradu pre vedu Ministerstva energetiky USA (DOE) v Národnom laboratóriu Brookhaven – a profesor chemického inžinierstva a aplikovanej fyziky a materiálových vied na Columbia Engineering. „Tu sme oddelili proces SA od vlastností materiálu navrhnutím pevných polyedrických rámcov DNA, ktoré dokážu zapuzdriť rôzne anorganické alebo organické nanoobjekty vrátane kovov, polovodičov a dokonca aj proteínov a enzýmov.“
Vedci navrhli syntetické DNA rámce v tvare kocky, oktaédra a tetraédra. Vo vnútri rámcov sa nachádzajú DNA „ramená“, na ktoré sa môžu viazať iba nanoobjekty s komplementárnou sekvenciou DNA. Tieto materiálne voxely – integrácia DNA rámca a nanoobjektu – sú stavebnými kameňmi, z ktorých možno vytvoriť makrorozmerné 3D štruktúry. Rámce sa navzájom spájajú bez ohľadu na to, aký druh nanoobjektu sa nachádza (alebo nie) vo vnútri, podľa komplementárnych sekvencií, ktorými sú kódované vo svojich vrcholoch. V závislosti od ich tvaru majú rámce rôzny počet vrcholov, a preto tvoria úplne odlišné štruktúry. Akékoľvek nanoobjekty umiestnené vo vnútri rámcov preberajú túto špecifickú štruktúru rámca.
Na demonštráciu svojho prístupu k zostavovaniu vedci vybrali kovové (zlato) a polovodivé (selenid kademnatý) nanočastice a bakteriálny proteín (streptavidín) ako anorganické a organické nanoobjekty, ktoré sa majú umiestniť do rámcov DNA. Najprv potvrdili integritu rámcov DNA a tvorbu materiálových voxelov zobrazovaním elektrónovými mikroskopmi v zariadení CFN Electron Microscopy Facility a Van Andel Institute, ktorý má sadu prístrojov pracujúcich pri kryogénnych teplotách pre biologické vzorky. Potom skúmali 3D mriežkové štruktúry na lúčových líniách koherentného tvrdého röntgenového rozptylu a rozptylu komplexných materiálov Národného synchrotrónového zdroja svetla II (NSLS-II) – ďalšieho užívateľského zariadenia DOE Office of Science v laboratóriu Brookhaven. Profesor chemického inžinierstva Bykhovsky na Columbia Engineering a jeho skupina vykonali výpočtové modelovanie, ktoré odhalilo, že experimentálne pozorované mriežkové štruktúry (na základe obrazcov rozptylu röntgenového žiarenia) boli termodynamicky najstabilnejšie, aké by materiálové voxely mohli vytvoriť.
„Tieto materiálne voxely nám umožňujú začať využívať myšlienky odvodené z atómov (a molekúl) a kryštálov, ktoré tvoria, a preniesť tieto rozsiahle znalosti a databázu do systémov, ktoré sú predmetom záujmu v nanorozmeroch,“ vysvetlil Kumar.
Gangovi študenti na Columbijskej univerzite potom predviedli, ako by sa dala táto montážna platforma použiť na riadenie organizácie dvoch rôznych druhov materiálov s chemickými a optickými funkciami. V jednom prípade spoločne zostavili dva enzýmy, čím vytvorili 3D polia s vysokou hustotou usporiadania. Hoci enzýmy zostali chemicky nezmenené, vykazovali približne štvornásobné zvýšenie enzymatickej aktivity. Tieto „nanoreaktory“ by sa mohli použiť na manipuláciu s kaskádovými reakciami a umožniť výrobu chemicky aktívnych materiálov. Pre demonštráciu optických materiálov zmiešali dve rôzne farby kvantových bodiek – drobných nanokryštálov, ktoré sa používajú na výrobu televíznych displejov s vysokou sýtosťou farieb a jasom. Snímky zachytené fluorescenčným mikroskopom ukázali, že vytvorená mriežka si zachovala čistotu farieb pod difrakčným limitom (vlnovou dĺžkou) svetla; táto vlastnosť by mohla umožniť výrazné zlepšenie rozlíšenia v rôznych zobrazovacích a optických komunikačných technológiách.
„Musíme prehodnotiť, ako sa materiály dajú formovať a ako fungujú,“ povedal Gang. „Prepracovanie materiálov nemusí byť potrebné; jednoduché balenie existujúcich materiálov novými spôsobmi by mohlo zlepšiť ich vlastnosti. Naša platforma by potenciálne mohla byť technológiou umožňujúcou „presahujúcou 3D tlač výroby“ na riadenie materiálov v oveľa menších mierkach a s väčšou rozmanitosťou materiálov a navrhnutými kompozíciami. Použitie rovnakého prístupu na vytvorenie 3D mriežok z požadovaných nanoobjektov rôznych materiálových tried, integrácia tých, ktoré by sa inak považovali za nekompatibilné, by mohla spôsobiť revolúciu v nanovýrobe.“
Materiály poskytlo Ministerstvo energetiky USA/Brookhavenské národné laboratórium. Poznámka: Štýl a dĺžka obsahu môžu byť upravené.
Získajte najnovšie vedecké správy s bezplatnými e-mailovými newslettermi ScienceDaily, ktoré sa aktualizujú denne a týždenne. Alebo si pozrite hodinovo aktualizované spravodajské kanály vo svojej čítačke RSS:
Povedzte nám, čo si myslíte o ScienceDaily – vítame pozitívne aj negatívne komentáre. Máte nejaké problémy s používaním stránky? Otázky?
Čas uverejnenia: 4. júla 2022