Wetenschappers hebben een platform ontwikkeld voor het assembleren van materiaalcomponenten van nanogrootte, of ‘nano-objecten’, van zeer verschillende typen – anorganisch of organisch – tot gewenste 3D-structuren. Hoewel zelfassemblage (SA) met succes is gebruikt om verschillende soorten nanomaterialen te organiseren, is het proces uiterst systeemspecifiek geweest, waarbij verschillende structuren zijn gegenereerd op basis van de intrinsieke eigenschappen van de materialen. Zoals gerapporteerd in een artikel dat vandaag in Nature Materials is gepubliceerd, kan hun nieuwe DNA-programmeerbare nanofabricageplatform worden toegepast om een verscheidenheid aan 3D-materialen op dezelfde voorgeschreven manier te organiseren op nanoschaal (miljardsten van een meter), waar unieke optische, chemische , en er komen andere eigenschappen naar voren.
“Een van de belangrijkste redenen waarom SA geen voorkeurstechniek is voor praktische toepassingen is dat hetzelfde SA-proces niet kan worden toegepast op een breed scala aan materialen om identieke 3D-geordende arrays uit verschillende nanocomponenten te creëren”, legt de corresponderende auteur Oleg Gang uit. , leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) – een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) bij het Brookhaven National Laboratory – en hoogleraar chemische technologie en toegepaste natuurkunde en materiaalwetenschappen bij Columbia Techniek. “Hier hebben we het SA-proces losgekoppeld van materiaaleigenschappen door rigide polyhedrale DNA-frames te ontwerpen die verschillende anorganische of organische nano-objecten kunnen inkapselen, waaronder metalen, halfgeleiders en zelfs eiwitten en enzymen.”
De wetenschappers ontwikkelden synthetische DNA-frames in de vorm van een kubus, octaëder en tetraëder. Binnen de frames bevinden zich DNA-“armen” waaraan alleen nano-objecten met de complementaire DNA-sequentie kunnen binden. Deze materiële voxels – de integratie van het DNA-frame en het nano-object – zijn de bouwstenen waaruit 3D-structuren op macroschaal kunnen worden gemaakt. De frames zijn met elkaar verbonden, ongeacht wat voor soort nano-object zich binnenin bevindt (of niet), volgens de complementaire sequenties waarmee ze op hun hoekpunten zijn gecodeerd. Afhankelijk van hun vorm hebben frames een verschillend aantal hoekpunten en vormen ze dus totaal verschillende structuren. Alle nano-objecten die in de frames worden gehost, nemen die specifieke framestructuur aan.
Om hun assemblageaanpak te demonstreren, selecteerden de wetenschappers metallische (goud) en halfgeleidende (cadmiumselenide) nanodeeltjes en een bacterieel eiwit (streptavidine) als de anorganische en organische nano-objecten die in de DNA-frames moesten worden geplaatst. Ten eerste bevestigden ze de integriteit van de DNA-frames en de vorming van materiële voxels door beeldvorming met elektronenmicroscopen bij de CFN Electron Microscopy Facility en het Van Andel Instituut, dat een reeks instrumenten heeft die werken bij cryogene temperaturen voor biologische monsters. Vervolgens onderzochten ze de 3D-roosterstructuren bij de Coherent Hard X-ray Scattering en Complex Materials Scattering-bundellijnen van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky hoogleraar chemische technologie Sanat Kumar en zijn groep voerden computationele modellering uit, waaruit bleek dat de experimenteel waargenomen roosterstructuren (gebaseerd op de röntgenverstrooiingspatronen) de thermodynamisch meest stabiele waren die de materiële voxels konden vormen.
"Deze materiële voxels stellen ons in staat ideeën te gebruiken die zijn afgeleid van atomen (en moleculen) en de kristallen die ze vormen, en deze enorme kennis en database over te dragen naar interessante systemen op nanoschaal", legt Kumar uit.
Gang's studenten in Columbia demonstreerden vervolgens hoe het assemblageplatform kon worden gebruikt om de organisatie van twee verschillende soorten materialen met chemische en optische functies aan te sturen. In één geval hebben ze twee enzymen samengevoegd, waardoor 3D-arrays met een hoge pakkingsdichtheid ontstonden. Hoewel de enzymen chemisch onveranderd bleven, vertoonden ze een ongeveer viervoudige toename van de enzymatische activiteit. Deze ‘nanoreactoren’ zouden kunnen worden gebruikt om cascadereacties te manipuleren en de fabricage van chemisch actieve materialen mogelijk te maken. Voor de demonstratie van optisch materiaal mengden ze twee verschillende kleuren kwantumdots: kleine nanokristallen die worden gebruikt om televisieschermen te maken met een hoge kleurverzadiging en helderheid. Beelden vastgelegd met een fluorescentiemicroscoop lieten zien dat het gevormde rooster de kleurzuiverheid behield onder de diffractielimiet (golflengte) van licht; deze eigenschap zou een aanzienlijke verbetering van de resolutie in verschillende weergave- en optische communicatietechnologieën mogelijk kunnen maken.
“We moeten opnieuw nadenken over hoe materialen kunnen worden gevormd en hoe ze functioneren”, zegt Gang. “Herontwerp van materialen is misschien niet nodig; Door simpelweg bestaande materialen op nieuwe manieren te verpakken, kunnen hun eigenschappen worden verbeterd. In potentie zou ons platform een technologie kunnen zijn ‘die verder gaat dan de productie van 3D-printen’ om materialen op veel kleinere schaal en met een grotere materiaalvariatie en ontworpen composities te controleren. Het gebruik van dezelfde aanpak om 3D-roosters te vormen van gewenste nano-objecten van verschillende materiaalklassen, en het integreren van die welke anders als onverenigbaar zouden worden beschouwd, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de nanoproductie.”
Materialen geleverd door DOE/Brookhaven National Laboratory. Opmerking: de inhoud kan qua stijl en lengte worden aangepast.
Ontvang het laatste wetenschappelijke nieuws met de gratis e-mailnieuwsbrieven van ScienceDaily, die dagelijks en wekelijks worden bijgewerkt. Of bekijk elk uur bijgewerkte nieuwsfeeds in uw RSS-lezer:
Vertel ons wat u van ScienceDaily vindt – we verwelkomen zowel positieve als negatieve reacties. Heeft u problemen bij het gebruik van de site? Vragen?
Posttijd: 04 juli 2022