Tudósok kifejlesztettek egy platformot, amellyel nagyon különböző típusú – szervetlen vagy szerves – nanoméretű anyagkomponenseket, vagy „nanoobjektumokat” lehet a kívánt háromdimenziós struktúrákká összeállítani. Bár az önszerveződést (SA) sikeresen alkalmazták már különféle nanorészecskék szervezésére, a folyamat rendkívül rendszerspecifikus volt, és az anyagok belső tulajdonságai alapján különböző struktúrákat hozott létre. Amint azt a Nature Materials folyóiratban ma megjelent cikk is beszámolta, új, DNS-programozható nanogyártási platformjuk alkalmazható különféle háromdimenziós anyagok nanoskálán (a méter milliárdod részében) történő, előírt módon történő szervezésére, ahol egyedi optikai, kémiai és egyéb tulajdonságok jelennek meg.
„Az egyik fő ok, amiért az SA nem a gyakorlati alkalmazásokban előnyben részesített technika, az, hogy ugyanaz az SA-eljárás nem alkalmazható számos anyag esetében, hogy azonos, háromdimenziós rendezett tömböket hozzunk létre különböző nanokomponensekből” – magyarázta a cikk levelező szerzője, Oleg Gang, a Funkcionális Nanoanyagok Központjának (CFN) – az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Tudományos Irodájának felhasználói létesítménye a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban – Lágy és Bio Nanoanyagok Csoportjának vezetője, valamint a Columbia Engineering vegyészmérnöki és alkalmazott fizika és anyagtudomány professzora. „Itt elválasztottuk az SA-eljárást az anyagtulajdonságoktól azáltal, hogy merev, sokszögű DNS-kereteket terveztünk, amelyek különféle szervetlen vagy szerves nanoobjektumokat, köztük fémeket, félvezetőket, sőt fehérjéket és enzimeket is képesek befogadni.”
A tudósok kocka, oktaéder és tetraéder alakú szintetikus DNS-kereteket hoztak létre. A kereteken belül DNS-„karok” találhatók, amelyekhez csak a komplementer DNS-szekvenciával rendelkező nano-objektumok tudnak kötődni. Ezek az anyagi voxelek – a DNS-keret és a nano-objektum integrációja – azok az építőelemek, amelyekből makroszkopikus 3D-s struktúrák hozhatók létre. A keretek egymáshoz kapcsolódnak, függetlenül attól, hogy milyen nano-objektum van bennük (vagy nincs), a csúcsaikban kódolt komplementer szekvenciák szerint. Alakjuktól függően a kereteknek eltérő számú csúcsuk van, és így teljesen eltérő struktúrákat alkotnak. A kereteken belül elhelyezkedő nano-objektumok felveszik az adott keretszerkezetet.
Az összeszerelési megközelítésük bemutatására a tudósok fémes (arany) és félvezető (kadmium-szelenid) nanorészecskéket, valamint egy bakteriális fehérjét (sztreptavidin) választottak ki szervetlen és szerves nanoobjektumokként, amelyeket a DNS-vázakba helyeztek. Először is megerősítették a DNS-vázak integritását és az anyagi voxelek képződését elektronmikroszkópos képalkotással a CFN Elektronmikroszkópos Intézetben és a Van Andel Intézetben, amely olyan műszerekkel rendelkezik, amelyek kriogén hőmérsékleten működnek biológiai mintákhoz. Ezután megvizsgálták a 3D-s rácsszerkezeteket a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) koherens kemény röntgenszórásos és komplex anyagok szórásos sugárnyalábjain – ez egy másik, az Energiaügyi Minisztérium Tudományos Hivatalának felhasználói létesítménye a Brookhaven Laboratóriumban. Sanat Kumar, a Columbia Engineering Bykhovsky vegyészmérnöki professzora és csoportja számítógépes modellezést végzett, amely kimutatta, hogy a kísérletileg megfigyelt rácsszerkezetek (a röntgenszórási minták alapján) voltak a termodinamikailag legstabilabbak, amelyeket az anyagi voxelek kialakíthattak.
„Ezek az anyagvoxelek lehetővé teszik számunkra, hogy az atomokból (és molekulákból), valamint az általuk alkotott kristályokból származó ötleteket elkezdjük használni, és ezt a hatalmas tudást és adatbázist a nanoskálájú érdekes rendszerekbe portoljuk” – magyarázta Kumar.
Gang diákjai a Columbián ezután bemutatták, hogyan lehet az összeszerelő platformot két különböző típusú, kémiai és optikai funkciókkal rendelkező anyag szervezésére használni. Az egyik esetben két enzimet állítottak össze együtt, így nagy csomagolási sűrűséggel rendelkező 3D-s tömböket hoztak létre. Bár az enzimek kémiailag változatlanok maradtak, enzimaktivitásuk körülbelül négyszeresére nőtt. Ezek a „nanoreaktorok” felhasználhatók kaszkádreakciók manipulálására és kémiailag aktív anyagok előállítására. Az optikai anyag demonstrációjához két különböző színű kvantumpöttyöt kevertek össze – apró nanokristályokat, amelyeket nagy színtelítettségű és fényerős televíziós kijelzők készítésére használnak. A fluoreszcens mikroszkóppal rögzített képek azt mutatták, hogy a kialakult rács színtisztaságát a fény diffrakciós határa (hullámhossza) alatt tartotta; ez a tulajdonság jelentős felbontásjavulást tehet lehetővé a különböző kijelző- és optikai kommunikációs technológiákban.
„Újra kell gondolnunk az anyagok formálásának és működésének módját” – mondta Gang. „Az anyagok újratervezése talán nem is szükséges; a meglévő anyagok új módon történő csomagolása javíthatja tulajdonságaikat. Platformunk potenciálisan egy olyan technológia lehet, amely „a 3D nyomtatási gyártáson túl” lehetővé teszi az anyagok sokkal kisebb léptékű, nagyobb anyagváltozatosságú és tervezett összetételű szabályozását. Ugyanezzel a megközelítéssel a különböző anyagosztályokba tartozó kívánt nano-objektumokból 3D-s rácsokat létrehozni, integrálva azokat, amelyeket egyébként inkompatibilisnek tekintenének, forradalmasíthatja a nanogyártást.”
Az anyagokat az Energiaügyi Minisztérium/Brookhaven Nemzeti Laboratórium biztosította. Megjegyzés: A tartalom stílusa és hossza szerkeszthető.
A legfrissebb tudományos híreket a ScienceDaily ingyenes, naponta és hetente frissülő e-mail hírleveleivel olvashatja. Vagy tekintse meg az óránként frissülő hírfolyamokat RSS-olvasójában:
Mondja el a véleményét a ScienceDaily-ről – mind a pozitív, mind a negatív visszajelzéseket szívesen fogadjuk. Problémái vannak az oldal használatával? Kérdései vannak?
Közzététel ideje: 2022. július 4.