A tudósok kifejlesztettek egy platformot nanoméretű anyagkomponensek vagy „nanoobjektumok” nagyon különböző típusú – szervetlen vagy szerves – összeállítására a kívánt 3D-s szerkezetekké.Bár az önösszeszerelést (SA) sikeresen alkalmazták többféle nanoanyag rendszerezésére, az eljárás rendkívül rendszer-specifikus volt, és az anyagok belső tulajdonságai alapján különböző struktúrákat hozott létre.Amint arról a Nature Materials-ban ma megjelent cikk beszámolt, az új, DNS-sel programozható nanogyártási platformjuk felhasználható különféle 3D-s anyagok nanoméretben (a méter milliárdod részében) történő megszervezésére, ahol egyedülálló optikai, kémiai , és más tulajdonságok jelennek meg.
„Az egyik fő ok, amiért az SA nem a gyakorlati alkalmazások által választott technika, az az, hogy ugyanazt az SA-eljárást nem lehet sokféle anyagon alkalmazni, hogy különböző nanokomponensekből azonos, háromdimenziós rendezett tömböket hozzanak létre” – magyarázta Oleg Gang, a megfelelő szerző. , a Lágy és Bio Nanomaterials Csoport vezetője a Funkcionális nanoanyagok központjában (CFN) – az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) Tudományos Hivatalának felhasználói létesítményében a Brookhaven National Laboratoryban –, valamint a vegyészmérnök, valamint az alkalmazott fizika és anyagtudomány professzora a Columbia Engineeringnél.„Itt leválasztottuk az SA-eljárást az anyagtulajdonságoktól azáltal, hogy merev poliéderes DNS-kereteket terveztünk, amelyek különböző szervetlen vagy szerves nano-objektumokat, köztük fémeket, félvezetőket, sőt fehérjéket és enzimeket is magukba foglalhatnak.”
A tudósok szintetikus DNS-kereteket készítettek kocka, oktaéder és tetraéder formájában.A kereteken belül olyan DNS-karok találhatók, amelyekhez csak a komplementer DNS-szekvenciával rendelkező nanoobjektumok tudnak kötődni.Ezek az anyagi voxelek – a DNS-keret és a nanoobjektum integrációja – azok az építőelemek, amelyekből makroléptékű 3D-s szerkezetek készíthetők.A keretek attól függetlenül kapcsolódnak egymáshoz, hogy milyen nanoobjektum van benne (vagy nincs), a csúcsukban kódolt komplementer szekvenciák szerint.A kereteknek alakjuktól függően különböző számú csúcsuk van, és így teljesen más szerkezetet alkotnak.A kereteken belül elhelyezett nano-objektumok az adott keretszerkezetet veszik fel.
Összeszerelési megközelítésük bemutatására a tudósok fémes (arany) és félvezető (kadmium-szelenid) nanorészecskéket és egy bakteriális fehérjét (sztreptavidint) választottak ki szervetlen és szerves nano-objektumként, amelyet a DNS-keretekbe kell helyezni.Először is elektronmikroszkópos képalkotással erősítették meg a DNS-keretek integritását és az anyagi voxelek képződését a CFN Elektronmikroszkópos Létesítményben és a Van Andel Intézetben, amely olyan műszercsomaggal rendelkezik, amely kriogén hőmérsékleten működik biológiai minták számára.Ezután megvizsgálták a háromdimenziós rácsszerkezeteket a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) koherens kemény röntgenszórás és összetett anyagok szórás sugárnyalábjainál – egy másik DOE Office of Science felhasználói létesítményben a Brookhaven Labban.A Columbia Engineering Bykhovsky vegyészmérnök professzora, Sanat Kumar és csoportja számítógépes modellezést végzett, amely feltárta, hogy a kísérletileg megfigyelt rácsszerkezetek (a röntgenszórási minták alapján) a termodinamikailag legstabilabbak, amelyeket az anyagi voxelek alkothatnak.
"Ezek az anyagi voxelek lehetővé teszik számunkra, hogy elkezdjük az atomokból (és molekulákból) és az általuk alkotott kristályokból származó ötleteket használni, és ezt a hatalmas tudást és adatbázist átadni a nanoméretű, érdekes rendszereknek" - magyarázta Kumar.
A Gang kolumbiai diákjai ezt követően bemutatták, hogyan lehet az összeszerelő platformot felhasználni két különböző kémiai és optikai funkciókkal rendelkező anyag szervezésére.Egy esetben két enzimet állítottak össze, így 3D-s tömböket hoztak létre nagy tömörítési sűrűséggel.Bár az enzimek kémiailag változatlanok maradtak, körülbelül négyszeresére nőtt az enzimaktivitásuk.Ezek a „nanoreaktorok” kaszkád reakciók manipulálására és kémiailag aktív anyagok előállítására használhatók.Az optikai anyagok bemutatásához két különböző színű kvantumpontot kevertek össze – apró nanokristályokat, amelyekből nagy színtelítettségű és fényerős televíziókat készítenek.A fluoreszcens mikroszkóppal készített felvételek azt mutatták, hogy a kialakult rács színtisztaságát a fény diffrakciós határa (hullámhossza) alatt tartja;ez a tulajdonság jelentős felbontás-javítást tesz lehetővé a különböző megjelenítési és optikai kommunikációs technológiákban.
"Újra kell gondolnunk, hogyan lehet anyagokat kialakítani és hogyan működnek" - mondta Gang.„Lehet, hogy az anyag újratervezése nem szükséges;A meglévő anyagok egyszerű csomagolása új módokon javíthatja tulajdonságaikat.Potenciálisan platformunk a 3D nyomtatási gyártáson túlmutató technológia lehet, amely sokkal kisebb méretekben, nagyobb anyagválasztékkal és tervezett kompozíciókkal szabályozza az anyagokat.Ugyanezt a megközelítést alkalmazva háromdimenziós rácsok kialakítására különböző anyagosztályokba tartozó nanoobjektumokból, integrálva azokat, amelyeket egyébként összeférhetetlennek tartanának, forradalmasíthatja a nanogyártást.”
A DOE/Brookhaven National Laboratory által biztosított anyagokat.Megjegyzés: A tartalom stílusa és hossza miatt szerkeszthető.
Szerezze meg a legfrissebb tudományos híreket a ScienceDaily ingyenes e-mailes hírleveleivel, amelyeket naponta és hetente frissítenek.Vagy tekintse meg az óránként frissített hírfolyamokat RSS-olvasójában:
Mondja el, mit gondol a ScienceDaily-ről – örömmel fogadjuk a pozitív és negatív megjegyzéseket egyaránt.Problémái vannak az oldal használatával?Kérdések?
Feladás időpontja: 2022-04-04