Forskare har utvecklat en plattform för att montera nanosiserade materialkomponenter, eller "nano-objekt", av mycket olika typer-oorganiska eller organiska-till önskade 3D-strukturer. Även om självmontering (SA) framgångsrikt har använts för att organisera nanomaterial av flera slag, har processen varit extremt systemspecifik och genererat olika strukturer baserade på materiella egenskaper. Som rapporterats i ett papper som publicerats idag i Nature Materials, kan deras nya DNA-programmerbara nanofabriceringsplattform tillämpas för att organisera en mängd 3D-material på samma förskrivna sätt vid nanoskala (miljarder av en mätare), där unika optiska, kemiska och andra egenskaper dyker upp.
“One of the major reasons why SA is not a technique of choice for practical applications is that the same SA process cannot be applied across a broad range of materials to create identical 3-D ordered arrays from different nanocomponents,” explained corresponding author Oleg Gang, leader of the Soft and Bio Nanomaterials Group at the Center for Functional Nanomaterials (CFN) — a US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility at Brookhaven National Laboratory - och professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering. "Här avkopplade vi SA-processen från materialegenskaper genom att utforma styva polyhedrala DNA-ramar som kan kapsla in olika oorganiska eller organiska nano-objekt, inklusive metaller, halvledare och till och med proteiner och enzymer."
Forskarna konstruerade syntetiska DNA -ramar i form av en kub, octahedron och tetrahedron. Inuti ramarna finns DNA-armar som bara nano-objekt med den komplementära DNA-sekvensen kan binda till. Dessa material voxels-integrationen av DNA-ramen och nano-objektet-är byggstenarna från vilka makroskala 3D-strukturer kan göras. Ramarna ansluter till varandra oavsett vilken typ av nano-objekt som finns inuti (eller inte) enligt de komplementära sekvenserna de är kodade med vid deras vertikaler. Beroende på deras form har ramar ett annat antal vertikaler och formar därmed helt olika strukturer. Alla nano-objekt som är värd i ramarna tar på sig den specifika ramstrukturen.
För att demonstrera sin monteringsmetod valde forskarna metalliska (guld) och halvledande (kadmiumselenid) nanopartiklar och ett bakterieprotein (streptavidin) som de oorganiska och organiska nano-objekt som ska placeras i DNA-ramarna. Först bekräftade de integriteten hos DNA -ramarna och bildning av materialvoxels genom avbildning med elektronmikroskop vid CFN -elektronmikroskopianläggningen och Van Andel -institutet, som har en svit med instrument som arbetar vid kryogena temperaturer för biologiska prover. De undersökte sedan 3-D-gitterstrukturerna vid den sammanhängande hårda röntgenspridningen och komplexa material som sprider strålar av National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-ett annat DOE-kontor för vetenskapsanläggningar på Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky professor i kemiteknik Sanat Kumar och hans grupp utförde beräkningsmodellering som avslöjade att de experimentellt observerade gitterstrukturerna (baserat på röntgenspridningsmönstren) var de mest termodynamiskt stabila som materialvoxarna kunde bilda.
"Dessa materiella voxels tillåter oss att börja använda idéer härrörande från atomer (och molekyler) och kristallerna som de bildar, och portar denna enorma kunskap och databas till system av intresse vid nanoskala," förklarade Kumar.
Gangs studenter på Columbia demonstrerade sedan hur monteringsplattformen kunde användas för att driva organisationen av två olika slags material med kemiska och optiska funktioner. I ett fall samlade de två enzymer och skapade 3D-matriser med en hög förpackningstäthet. Även om enzymerna förblev kemiskt oförändrade, visade de ungefär en fyrfaldig ökning av enzymatisk aktivitet. Dessa "nanoreaktorer" kan användas för att manipulera kaskadreaktioner och möjliggöra tillverkning av kemiskt aktiva material. För demonstrationen av optiskt material blandade de två olika färger av kvantprickar - små nanokristaller som används för att göra tv -skärmar med hög färgmättnad och ljusstyrka. Bilder tagna med ett fluorescensmikroskop visade att det bildade gitteret bibehöll färgrenhet under diffraktionsgränsen (våglängden) på ljuset; Den här egenskapen kan möjliggöra betydande förbättring av upplösning i olika display- och optiska kommunikationstekniker.
"Vi måste tänka om hur material kan bildas och hur de fungerar," sade Gang. ”Material omdesign kanske inte är nödvändig; Att helt enkelt förpacka befintliga material på nya sätt kan förbättra deras egenskaper. Potentiellt kan vår plattform vara en möjliggörande teknik "utöver 3D-utskriftstillverkning" för att kontrollera material på mycket mindre skalor och med större materialvariation och designade kompositioner. Att använda samma tillvägagångssätt för att formulär 3D-gitter från önskade nano-objekt i olika materialklasser, integrera de som annars skulle betraktas som oförenliga, kan revolutionera nanomanstillverkning. ”
Material som tillhandahålls av DOE/Brookhaven National Laboratory. Obs: Innehållet kan redigeras för stil och längd.
Få de senaste vetenskapsnyheterna med ScienceDaily's GRATIS nyhetsbrev, uppdaterade dagligen och varje vecka. Eller se timuppdaterade 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?
Posttid: JUL-04-2022