Teadlased on välja töötanud platvormi väga erinevat tüüpi – anorgaaniliste või orgaaniliste – nanosuuruses materjalikomponentide ehk „nanoobjektide” kokkupanekuks soovitud 3D-struktuurideks. Kuigi iseassambleed (SA) on edukalt kasutatud mitut tüüpi nanomaterjalide organiseerimiseks, on protsess olnud äärmiselt süsteemispetsiifiline, genereerides erinevaid struktuure materjalide olemuslike omaduste põhjal. Nagu täna ajakirjas Nature Materials avaldatud artiklis teatati, saab nende uut DNA-programmeeritavat nanotootmisplatvormi rakendada mitmesuguste 3D-materjalide organiseerimiseks samadel etteantud viisidel nanoskaalas (meetri miljardikud), kus ilmnevad ainulaadsed optilised, keemilised ja muud omadused.
„Üks peamisi põhjuseid, miks püramiidsus (SA) ei ole praktiliste rakenduste jaoks eelistatud tehnika, on see, et sama püramiidsusprotsessi ei saa rakendada laia materjalide valiku puhul, et luua erinevatest nanokomponentidest identseid 3D-järjestatud massiive,“ selgitas vastav autor Oleg Gang, funktsionaalsete nanomaterjalide keskuse (CFN) pehmete ja bionanomaterjalide rühma juht – USA energeetikaministeeriumi (DOE) teadusbüroo kasutajarajatis Brookhaveni riiklikus laboris – ning keemiatehnika ja rakendusfüüsika ja materjaliteaduse professor Columbia Engineeringus. „Siin lahutasime püramiidsusprotsessi materjali omadustest, kujundades jäigad polüeedrilised DNA-raamid, mis võivad kapseldada mitmesuguseid anorgaanilisi või orgaanilisi nanoobjekte, sealhulgas metalle, pooljuhte ning isegi valke ja ensüüme.“
Teadlased konstrueerisid sünteetilised DNA-raamid kuubi, oktaeedri ja tetraeedri kujul. Raamide sees on DNA "harud", millega saavad siduda ainult komplementaarse DNA järjestusega nano-objektid. Need materiaalsed vokselid – DNA-raami ja nano-objekti integratsioon – on ehitusplokid, millest saab luua makroskoopilisi 3D-struktuure. Raamid ühenduvad üksteisega olenemata sellest, millist tüüpi nano-objekt sees on (või mitte), vastavalt komplementaarsetele järjestustele, millega need on oma tippudes kodeeritud. Sõltuvalt kujust on raamidel erinev arv tippe ja seega moodustavad need täiesti erinevaid struktuure. Kõik raamides olevad nano-objektid omandavad selle spetsiifilise raamistruktuuri.
Oma kokkupanekumeetodi demonstreerimiseks valisid teadlased DNA raamide sisse paigutatavate anorgaaniliste ja orgaaniliste nanoobjektidena metallilised (kuld) ja pooljuhtivad (kaadmiumseleniid) nanoosakesed ning bakteriaalse valgu (streptavidiin). Esmalt kinnitasid nad DNA raamide terviklikkust ja materiaalsete vokselite moodustumist elektronmikroskoopidega pildistamise abil CFN-i elektronmikroskoopia rajatises ja Van Andeli Instituudis, kus on komplekt instrumente, mis töötavad bioloogiliste proovide jaoks krüogeensetel temperatuuridel. Seejärel sondeerisid nad 3D-võrestruktuure National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) koherentse kõva röntgenikiirguse hajumise ja kompleksmaterjalide hajumise kiirejoontes – see on veel üks DOE teadusbüroo kasutajarajatis Brookhaveni laboris. Columbia Engineering Bykhovsky keemiatehnika professor Sanat Kumar ja tema meeskond viisid läbi arvutusliku modelleerimise, mis näitas, et eksperimentaalselt vaadeldud võrestruktuurid (röntgenikiirguse hajumise mustrite põhjal) olid kõige termodünaamiliselt stabiilsemad, mida materiaalsed vokselid suutsid moodustada.
„Need materiaalsed vokselid võimaldavad meil hakata kasutama aatomitest (ja molekulidest) ja nende moodustatud kristallidest saadud ideid ning edastada seda laiaulatuslikku teadmist ja andmebaasi nanoskaalas huvipakkuvatele süsteemidele,“ selgitas Kumar.
Gangi tudengid Columbias demonstreerisid seejärel, kuidas montaažiplatvormi saab kasutada kahe erinevat tüüpi materjali organiseerimiseks keemiliste ja optiliste funktsioonidega. Ühel juhul panid nad kokku kaks ensüümi, luues suure pakkimistihedusega 3D-massiivid. Kuigi ensüümid jäid keemiliselt muutumatuks, näitasid nad umbes neljakordset ensümaatilise aktiivsuse suurenemist. Neid "nanoreaktoreid" saaks kasutada kaskaadreaktsioonide manipuleerimiseks ja keemiliselt aktiivsete materjalide valmistamise võimaldamiseks. Optilise materjali demonstreerimiseks segasid nad kahte erinevat värvi kvantpunkte – pisikesi nanokristalle, mida kasutatakse suure värviküllastuse ja heledusega teleriekraanide valmistamiseks. Fluorestsentsmikroskoobiga jäädvustatud pildid näitasid, et moodustunud võre säilitas värvipuhtuse valguse difraktsioonipiirist (lainepikkusest) allpool; see omadus võiks võimaldada olulist eraldusvõime parandamist erinevates kuvari- ja optilise kommunikatsiooni tehnoloogiates.
„Peame ümber mõtlema, kuidas materjale saab moodustada ja kuidas need toimivad,“ ütles Gang. „Materjalide ümberkujundamine ei pruugi olla vajalik; olemasolevate materjalide lihtne pakendamine uutmoodi võib parandada nende omadusi. Potentsiaalselt võiks meie platvorm olla tehnoloogia, mis ulatub 3D-printimise tootmisest kaugemale ja võimaldab kontrollida materjale palju väiksemas mastaabis ning suurema materjalivaliku ja disainitud koostisega. Sama lähenemisviisi kasutamine 3D-võrede moodustamiseks soovitud nanoobjektidest erinevatest materjaliklassidest, integreerides need, mida muidu peetaks kokkusobimatuks, võiks nanotootmises revolutsiooni teha.“
Materjalid on edastanud Energiaministeerium/Brookhaveni Riiklik Laboratoorium. Märkus: Sisu stiili ja pikkust võidakse muuta.
Hankige uusimaid teadusuudiseid ScienceDaily tasuta e-posti uudiskirjadega, mida värskendatakse iga päev ja iganädalaselt. Või vaadake oma RSS-lugeris iga tunni tagant värskendatavaid uudistevooge:
Andke meile teada, mida arvate ScienceDailyst – me tervitame nii positiivseid kui ka negatiivseid kommentaare. Kas teil on saidi kasutamisel probleeme? Küsimusi?
Postituse aeg: 04.07.2022