Ang mga siyentipiko ay nakabuo ng isang platform para sa pag-assemble ng nanosized na mga bahagi ng materyal, o "nano-objects," ng ibang-iba ang uri - inorganic o organic - sa mga gustong 3-D na istruktura. Kahit na ang self-assembly (SA) ay matagumpay na ginamit upang ayusin ang mga nanomaterial ng iba't ibang uri, ang proseso ay napaka-system-specific, na bumubuo ng iba't ibang mga istraktura batay sa mga intrinsic na katangian ng mga materyales. Tulad ng iniulat sa isang papel na inilathala ngayon sa Nature Materials, ang kanilang bagong DNA-programmable nanofabrication platform ay maaaring ilapat upang ayusin ang iba't ibang 3-D na materyales sa parehong mga iniresetang paraan sa nanoscale (billionths ng isang metro), kung saan ang natatanging optical, kemikal. , at iba pang mga pag-aari ay lumabas.
"Isa sa mga pangunahing dahilan kung bakit ang SA ay hindi isang pamamaraan ng pagpili para sa mga praktikal na aplikasyon ay ang parehong proseso ng SA ay hindi maaaring ilapat sa isang malawak na hanay ng mga materyales upang lumikha ng magkaparehong 3-D ordered arrays mula sa iba't ibang nanocomponents," paliwanag ng kaukulang may-akda na si Oleg Gang , pinuno ng Soft and Bio Nanomaterials Group sa Center for Functional Nanomaterials (CFN) — isang US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility sa Brookhaven National Laboratory — at isang propesor ng Chemical Engineering at ng Applied Physics and Materials Science sa Columbia Engineering. "Dito, inalis namin ang proseso ng SA mula sa mga materyal na katangian sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng mga matibay na polyhedral DNA frame na maaaring mag-encapsulate ng iba't ibang inorganic o organic na nano-object, kabilang ang mga metal, semiconductors, at maging ang mga protina at enzymes."
Ang mga siyentipiko ay nag-engineered ng mga sintetikong DNA frame sa hugis ng isang cube, octahedron, at tetrahedron. Sa loob ng mga frame ay may mga "braso" ng DNA na tanging mga nano-object na may komplementaryong pagkakasunud-sunod ng DNA ang maaaring magbigkis. Ang mga materyal na voxel na ito — ang pagsasama ng DNA frame at nano-object — ay ang mga bloke ng gusali kung saan maaaring gawin ang mga macroscale 3-D na istruktura. Ang mga frame ay kumokonekta sa isa't isa anuman ang uri ng nano-object sa loob (o hindi) ayon sa mga pantulong na pagkakasunud-sunod kung saan naka-encode ang mga ito sa kanilang mga vertice. Depende sa kanilang hugis, ang mga frame ay may ibang bilang ng mga vertex at sa gayon ay bumubuo ng ganap na magkakaibang mga istraktura. Ang anumang mga nano-object na naka-host sa loob ng mga frame ay tumatagal sa partikular na istraktura ng frame.
Upang ipakita ang kanilang diskarte sa pagpupulong, pinili ng mga siyentipiko ang metallic (gold) at semiconducting (cadmium selenide) nanoparticle at isang bacterial protein (streptavidin) bilang mga inorganic at organic na nano-object na ilalagay sa loob ng mga frame ng DNA. Una, kinumpirma nila ang integridad ng mga frame ng DNA at pagbuo ng mga materyal na voxel sa pamamagitan ng pag-imaging gamit ang mga electron microscope sa CFN Electron Microscopy Facility at sa Van Andel Institute, na mayroong isang suite ng mga instrumento na gumagana sa cryogenic na temperatura para sa mga biological sample. Pagkatapos ay sinisiyasat nila ang mga istruktura ng 3-D na lattice sa Coherent Hard X-ray Scattering at Complex Materials Scattering beamlines ng National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) — isa pang DOE Office of Science User Facility sa Brookhaven Lab. Ang Columbia Engineering Bykhovsky Propesor ng Chemical Engineering na si Sanat Kumar at ang kanyang grupo ay nagsagawa ng computational modeling na nagpapakita na ang mga eksperimento na naobserbahang mga istruktura ng sala-sala (batay sa x-ray scattering patterns) ay ang pinaka-thermodynamically stable na maaaring mabuo ng mga materyal na voxel.
"Ang mga materyal na voxel na ito ay nagpapahintulot sa amin na magsimulang gumamit ng mga ideya na nagmula sa mga atomo (at mga molekula) at ang mga kristal na kanilang nabuo, at i-port ang malawak na kaalaman at database na ito sa mga sistema ng interes sa nanoscale," paliwanag ni Kumar.
Pagkatapos ay ipinakita ng mga mag-aaral ng Gang sa Columbia kung paano magagamit ang assembly platform upang himukin ang organisasyon ng dalawang magkaibang uri ng mga materyales na may kemikal at optical function. Sa isang kaso, pinagsama-sama nila ang dalawang enzyme, na lumilikha ng mga 3-D array na may mataas na density ng packing. Kahit na ang mga enzyme ay nanatiling hindi nagbabago sa kemikal, ipinakita nila ang tungkol sa isang apat na beses na pagtaas sa aktibidad ng enzymatic. Ang mga "nanoreactor" na ito ay maaaring gamitin upang manipulahin ang mga cascade reaction at paganahin ang paggawa ng mga kemikal na aktibong materyales. Para sa optical material demonstration, pinaghalo nila ang dalawang magkaibang kulay ng mga quantum dots — maliliit na nanocrystals na ginagamit para gumawa ng mga palabas sa telebisyon na may mataas na saturation ng kulay at ningning. Ang mga larawang nakunan gamit ang isang fluorescence microscope ay nagpakita na ang nabuong sala-sala ay nagpapanatili ng kadalisayan ng kulay sa ibaba ng limitasyon ng diffraction (haba ng daluyong) ng liwanag; maaaring magbigay-daan ang property na ito para sa makabuluhang pagpapabuti ng resolution sa iba't ibang teknolohiya ng display at optical na komunikasyon.
"Kailangan nating pag-isipang muli kung paano mabubuo ang mga materyales at kung paano gumagana ang mga ito," sabi ni Gang. “Maaaring hindi kailanganin ang muling disenyo ng materyal; ang simpleng pag-iimpake ng mga umiiral na materyales sa mga bagong paraan ay maaaring mapahusay ang kanilang mga katangian. Posible, ang aming platform ay maaaring maging isang nagbibigay-daan na teknolohiya na 'lampas sa pagmamanupaktura ng 3-D na pag-imprenta' upang makontrol ang mga materyales sa mas maliliit na kaliskis at may higit na pagkakaiba-iba ng materyal at mga disenyong komposisyon. Ang paggamit ng parehong diskarte upang bumuo ng 3-D lattices mula sa ninanais na mga nano-object ng iba't ibang klase ng materyal, pagsasama-sama ng mga kung hindi man ay ituring na hindi magkatugma, ay maaaring baguhin nang lubusan ang nanomanufacturing."
Mga materyales na ibinigay ng DOE/Brookhaven National Laboratory. Tandaan: Maaaring i-edit ang nilalaman para sa istilo at haba.
Kunin ang pinakabagong balita sa agham gamit ang mga libreng email newsletter ng ScienceDaily, na ina-update araw-araw at lingguhan. O tingnan ang oras-oras na na-update na mga newsfeed sa iyong RSS reader:
Sabihin sa amin kung ano ang tingin mo sa ScienceDaily — tinatanggap namin ang parehong positibo at negatibong komento. Mayroon bang anumang mga problema sa paggamit ng site? Mga tanong?
Oras ng post: Hul-04-2022