Tutkijat ovat kehittäneet alustan nanokokoisten materiaalikomponenttien eli "nano-objektien" kokoamiseksi hyvin erilaisiksi – epäorgaanisiksi tai orgaanisiksi – halutuiksi kolmiulotteisiksi rakenteiksi. Vaikka itsejärjestäytymistä (SA) on käytetty onnistuneesti useiden erityyppisten nanomateriaalien järjestämiseen, prosessi on ollut erittäin järjestelmäkohtainen ja tuottanut erilaisia rakenteita materiaalien luontaisten ominaisuuksien perusteella. Kuten Nature Materials -lehdessä tänään julkaistussa artikkelissa raportoidaan, heidän uutta DNA-ohjelmoitavaa nanovalmistusalustaansa voidaan soveltaa erilaisten kolmiulotteisten materiaalien järjestämiseen samoilla ennalta määrätyillä tavoilla nanoskaalassa (metrin miljardisosat), jossa syntyy ainutlaatuisia optisia, kemiallisia ja muita ominaisuuksia.
”Yksi tärkeimmistä syistä, miksi spesifinen kerrostuminen (SA) ei ole käytännön sovelluksissa ensisijainen tekniikka, on se, että samaa spesifisen kerrostumisen prosessia ei voida soveltaa laajaan materiaalivalikoimaan identtisten kolmiulotteisten järjestettyjen rakenteiden luomiseksi eri nanokomponenteista”, selitti vastaava kirjoittaja Oleg Gang, pehmeiden ja bionanomateriaalien ryhmän johtaja Center for Functional Nanomaterialsissa (CFN) – Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tiedekeskuksen käyttäjälaitoksessa Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa – ja kemiantekniikan ja sovelletun fysiikan ja materiaalitieteen professori Columbia Engineeringissä. ”Tässä irrotimme spesifisen kerrostumisen prosessin materiaalien ominaisuuksista suunnittelemalla jäykkiä polyedrisiä DNA-kehyksiä, jotka voivat kapseloida erilaisia epäorgaanisia tai orgaanisia nano-objekteja, kuten metalleja, puolijohteita ja jopa proteiineja ja entsyymejä.”
Tutkijat suunnittelivat synteettisiä DNA-kehyksiä kuution, oktaedrin ja tetraedrin muotoon. Kehysten sisällä on DNA-"käsivarsia", joihin vain komplementaarisen DNA-sekvenssin omaavat nano-objektit voivat sitoutua. Nämä materiaalivokselit – DNA-kehyksen ja nano-objektin integraatio – ovat rakennuspalikoita, joista voidaan rakentaa makroskooppisia 3D-rakenteita. Kehykset yhdistyvät toisiinsa riippumatta siitä, millainen nano-objekti on sisällä (tai ei ole), niiden kärkipisteisiin koodattujen komplementaaristen sekvenssien mukaan. Muodostaan riippuen kehyksillä on eri määrä kärkiä ja ne muodostavat siten täysin erilaisia rakenteita. Kehysten sisällä olevat nano-objektit omaksuvat kyseisen tietyn kehysrakenteen.
Kokoonpanomenetelmänsä demonstroimiseksi tutkijat valitsivat DNA-kehysten sisään sijoitettaviksi epäorgaanisiksi ja orgaanisiksi nano-objekteiksi metallisia (kulta) ja puolijohtavia (kadmiumselenidi) nanopartikkeleita sekä bakteeriproteiinin (streptavidiini). Ensin he varmistivat DNA-kehysten eheyden ja materiaalivokselien muodostumisen kuvantamalla elektronimikroskoopeilla CFN:n elektronimikroskopialaitoksessa ja Van Andel -instituutissa, jolla on joukko instrumentteja, jotka toimivat kryogeenisissä lämpötiloissa biologisille näytteille. Sitten he tutkivat kolmiulotteisia hilarakenteita National Synchrotron Light Source II:n (NSLS-II) koherenttien kovien röntgensironnan ja kompleksisten materiaalien sironnan säteillä – NSLS-II on toinen DOE:n tiedetoimiston käyttäjälaitos Brookhaven Labissa. Columbia Engineering Bykhovsky, kemiantekniikan professori Sanat Kumar ja hänen ryhmänsä suorittivat laskennallisen mallinnuksen, joka paljasti, että kokeellisesti havaitut hilarakenteet (röntgensirontakuvioiden perusteella) olivat termodynaamisesti vakaimpia, joita materiaalivokselit pystyivät muodostamaan.
”Nämä materiaalivokselit antavat meille mahdollisuuden alkaa käyttää atomeista (ja molekyyleistä) ja niiden muodostamista kiteistä johdettuja ideoita ja siirtää tätä laajaa tietoa ja tietokantaa kiinnostaviin nanomittakaavan järjestelmiin”, Kumar selitti.
Gangin opiskelijat Columbiassa osoittivat sitten, kuinka kokoonpanoalustaa voitaisiin käyttää kahden erityyppisen materiaalin organisointiin kemiallisilla ja optisilla toiminnoilla. Yhdessä tapauksessa he kokosivat kaksi entsyymiä yhdessä luoden kolmiulotteisia matriiseja, joilla on korkea pakkaustiheys. Vaikka entsyymit pysyivät kemiallisesti muuttumattomina, niiden entsymaattinen aktiivisuus kasvoi noin nelinkertaiseksi. Näitä "nanoreaktoreita" voitaisiin käyttää kaskadireaktioiden manipulointiin ja kemiallisesti aktiivisten materiaalien valmistuksen mahdollistamiseen. Optisen materiaalin demonstraatiota varten he sekoittivat kaksi eri väristä kvanttipistettä – pieniä nanokiteitä, joita käytetään televisionäyttöjen valmistukseen, joilla on korkea värikylläisyys ja kirkkaus. Fluoresenssimikroskoopilla otetut kuvat osoittivat, että muodostunut hila säilytti värin puhtauden valon diffraktiorajan (aallonpituuden) alapuolella; tämä ominaisuus voisi mahdollistaa merkittävän resoluution parantamisen erilaisissa näyttö- ja optisissa tietoliikennetekniikoissa.
”Meidän on ajateltava uudelleen, miten materiaaleja voidaan muodostaa ja miten ne toimivat”, Gang sanoi. ”Materiaalien uudelleensuunnittelu ei välttämättä ole välttämätöntä; pelkkä olemassa olevien materiaalien pakkaaminen uusilla tavoilla voisi parantaa niiden ominaisuuksia. Alustamme voisi mahdollisesti olla mahdollistava teknologia '3D-tulostuksen tuolle puolen', joka mahdollistaa materiaalien hallitsemisen paljon pienemmässä mittakaavassa ja suuremmalla materiaalivalikoimalla ja suunnitelluilla koostumuksilla. Saman lähestymistavan käyttäminen 3D-hilarakenteiden muodostamiseen halutuista nano-objekteista eri materiaaliluokkiin, integroimalla ne, joita muuten pidettäisiin yhteensopimattomina, voisi mullistaa nanotuotannon.”
Energiaministeriön/Brookhavenin kansallisen laboratorion toimittamat materiaalit. Huomautus: Sisällön tyyliä ja pituutta voidaan muokata.
Saat uusimmat tiedeuutiset ScienceDaily:n ilmaisilla sähköpostiuutiskirjeillä, joita päivitetään päivittäin ja viikoittain. Tai voit katsella tunneittain päivittyviä uutissyötteitä RSS-lukijassasi:
Kerro meille mielipiteesi ScienceDailystä – otamme mielellämme vastaan sekä positiivisia että negatiivisia kommentteja. Onko sinulla ongelmia sivuston käytössä? Kysymyksiä?
Julkaisun aika: 04.07.2022