Forskare har utvecklat en plattform för att montera nanomaterialkomponenter, eller "nanoobjekt", av mycket olika typer – oorganiska eller organiska – till önskade 3D-strukturer. Även om självorganisering (SA) framgångsrikt har använts för att organisera nanomaterial av flera slag, har processen varit extremt systemspecifik och genererat olika strukturer baserade på materialens inneboende egenskaper. Som rapporteras i en artikel som publiceras idag i Nature Materials, kan deras nya DNA-programmerbara nanofabrikationsplattform tillämpas för att organisera en mängd olika 3D-material på samma föreskrivna sätt på nanoskala (miljarddels meter), där unika optiska, kemiska och andra egenskaper framträder.
”En av de främsta anledningarna till att SA inte är en teknik man väljer för praktiska tillämpningar är att samma SA-process inte kan tillämpas på ett brett spektrum av material för att skapa identiska 3D-ordnade matriser från olika nanokomponenter”, förklarade korresponderande författaren Oleg Gang, ledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) – en användaranläggning vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Office of Science vid Brookhaven National Laboratory – och professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering. ”Här frikopplade vi SA-processen från materialegenskaper genom att designa styva polyedriska DNA-ramar som kan inkapsla olika oorganiska eller organiska nanoobjekt, inklusive metaller, halvledare och till och med proteiner och enzymer.”
Forskarna konstruerade syntetiska DNA-ramar i form av en kub, oktaeder och tetraeder. Inuti ramarna finns DNA-"armar" som endast nanoobjekt med den komplementära DNA-sekvensen kan binda till. Dessa materialvoxlar – integrationen av DNA-ramen och nanoobjektet – är byggstenarna från vilka makroskaliga 3D-strukturer kan skapas. Ramarna ansluter till varandra oavsett vilken typ av nanoobjekt som finns inuti (eller inte) enligt de komplementära sekvenser de är kodade med vid sina noder. Beroende på deras form har ramar ett olika antal noder och bildar därmed helt olika strukturer. Alla nanoobjekt som finns inuti ramarna antar den specifika ramstrukturen.
För att demonstrera sin monteringsmetod valde forskarna metalliska (guld) och halvledande (kadmiumselenid) nanopartiklar och ett bakteriellt protein (streptavidin) som de oorganiska och organiska nanoobjekt som skulle placeras inuti DNA-ramarna. Först bekräftade de DNA-ramarnas integritet och bildandet av materialvoxlar genom avbildning med elektronmikroskop vid CFN Electron Microscopy Facility och Van Andel Institute, som har en uppsättning instrument som arbetar vid kryogena temperaturer för biologiska prover. De undersökte sedan 3D-gitterstrukturerna vid Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering-strålrören hos National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en annan DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky-professorn i kemiteknik Sanat Kumar och hans grupp utförde beräkningsmodellering som avslöjade att de experimentellt observerade gitterstrukturerna (baserade på röntgenspridningsmönstren) var de mest termodynamiskt stabila som materialvoxlarna kunde bilda.
"Dessa materialvoxlar gör det möjligt för oss att börja använda idéer som härrör från atomer (och molekyler) och de kristaller de bildar, och överföra denna omfattande kunskap och databas till intressanta system på nanoskalan", förklarade Kumar.
Gangs studenter vid Columbia demonstrerade sedan hur monteringsplattformen kunde användas för att driva organisationen av två olika typer av material med kemiska och optiska funktioner. I ett fall sammonterade de två enzymer och skapade 3D-matriser med hög packningstäthet. Även om enzymerna förblev kemiskt oförändrade, visade de en ungefär fyrfaldig ökning av enzymatisk aktivitet. Dessa "nanoreaktorer" kunde användas för att manipulera kaskadreaktioner och möjliggöra tillverkning av kemiskt aktiva material. För demonstrationen av det optiska materialet blandade de två olika färger av kvantprickar – små nanokristaller som används för att tillverka tv-skärmar med hög färgmättnad och ljusstyrka. Bilder tagna med ett fluorescensmikroskop visade att det bildade gittret bibehöll färgrenhet under ljusets diffraktionsgräns (våglängd); denna egenskap skulle kunna möjliggöra betydande upplösningsförbättringar inom olika display- och optiska kommunikationstekniker.
”Vi behöver tänka om hur material kan formas och hur de fungerar”, sa Gang. ”Materialomdesign kanske inte är nödvändig; att helt enkelt förpacka befintliga material på nya sätt kan förbättra deras egenskaper. Potentiellt skulle vår plattform kunna vara en möjliggörande teknik ”bortom 3D-utskriftstillverkning” för att kontrollera material i mycket mindre skalor och med större materialvariation och designade kompositioner. Att använda samma metod för att forma 3D-gitter från önskade nanoobjekt av olika materialklasser, och integrera de som annars skulle anses vara inkompatibla, skulle kunna revolutionera nanotillverkning.”
Material tillhandahållet av DOE/Brookhaven National Laboratory. Obs: Innehållet kan redigeras för stil och längd.
Få de senaste vetenskapsnyheterna med ScienceDailys kostnadsfria e-postnyhetsbrev, som uppdateras dagligen och veckovis. Eller se timvis uppdaterade nyhetsflöden i din RSS-läsare:
Berätta vad du tycker om ScienceDaily — vi välkomnar både positiva och negativa kommentarer. Har du några problem med att använda webbplatsen? Frågor?
Publiceringstid: 4 juli 2022