Wetenschappers hebben een platform ontwikkeld voor het assembleren van nano-materiaalcomponenten, oftewel "nano-objecten", van zeer uiteenlopende typen – anorganisch of organisch – tot gewenste 3D-structuren. Hoewel zelfassemblage (SA) succesvol is toegepast om verschillende soorten nanomaterialen te organiseren, was het proces uiterst systeemspecifiek en genereerde het verschillende structuren op basis van de intrinsieke eigenschappen van de materialen. Zoals gerapporteerd in een vandaag in Nature Materials gepubliceerd artikel, 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 andere eigenschappen ontstaan.
"Een van de belangrijkste redenen waarom SA geen techniek bij uitstek is voor praktische toepassingen, is dat hetzelfde SA-proces niet kan worden toegepast op een breed scala aan materialen om identieke 3D-geordende arrays te creëren van verschillende nanocomponenten", aldus corresponderend auteur Oleg Gang, leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) — een gebruikersfaciliteit van het Office of Science van het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) in Brookhaven National Laboratory — en hoogleraar Chemische Technologie en Toegepaste Fysica en Materiaalkunde aan Columbia Engineering. "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 hebben synthetische DNA-frames ontworpen 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 zich kunnen binden. Deze materiële voxels – de integratie van het DNA-frame en het nano-object – vormen de bouwstenen waaruit macroschaal 3D-structuren kunnen worden gemaakt. De frames verbinden zich met elkaar, ongeacht het soort nano-object dat zich erin bevindt (of niet), op basis van de complementaire sequenties waarmee ze op hun hoekpunten zijn gecodeerd. Afhankelijk van hun vorm hebben frames een verschillend aantal hoekpunten en vormen ze dus compleet verschillende structuren. Alle nano-objecten die zich binnen de frames bevinden, nemen die specifieke framestructuur aan.
Om hun assemblagemethode te demonstreren, selecteerden de wetenschappers metalen (goud) en halfgeleidende (cadmiumselenide) nanodeeltjes en een bacterieel eiwit (streptavidine) als de anorganische en organische nano-objecten die in de DNA-frames geplaatst moesten worden. Eerst bevestigden ze de integriteit van de DNA-frames en de vorming van materiaalvoxels door middel van beeldvorming met elektronenmicroscopen in de CFN Electron Microscopy Facility en het Van Andel Institute, dat beschikt over een reeks instrumenten die werken bij cryogene temperaturen voor biologische monsters. Vervolgens onderzochten ze de 3D-roosterstructuren met 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. Hoogleraar chemische technologie Sanat Kumar van Columbia Engineering Bykhovsky en zijn groep voerden computermodellen uit waaruit bleek dat de experimenteel waargenomen roosterstructuren (gebaseerd op de röntgenverstrooiingspatronen) de thermodynamisch meest stabiele structuren waren die de materiële voxels konden vormen.
"Deze materiële voxels stellen ons in staat om ideeën afkomstig van atomen (en moleculen) en de kristallen die ze vormen te gaan gebruiken, en deze enorme kennis en database over te brengen naar interessante systemen op nanoschaal", legt Kumar uit.
De studenten van Gang aan Columbia University demonstreerden vervolgens hoe het assemblageplatform gebruikt kon worden om de organisatie van twee verschillende soorten materialen met chemische en optische functies te sturen. In één geval monteerden ze twee enzymen samen, waardoor 3D-arrays met een hoge pakkingsdichtheid ontstonden. Hoewel de enzymen chemisch onveranderd bleven, vertoonden ze een ongeveer viervoudige toename in enzymatische activiteit. Deze "nanoreactoren" konden worden gebruikt om cascadereacties te manipuleren en de productie van chemisch actieve materialen mogelijk te maken. Voor de optische materiaaldemonstratie mengden ze twee verschillende kleuren kwantumdots – minuscule nanokristallen die worden gebruikt om televisieschermen te maken met een hoge kleurverzadiging en helderheid. Beelden vastgelegd met een fluorescentiemicroscoop toonden aan dat het gevormde rooster de kleurzuiverheid onder de diffractielimiet (golflengte) van licht behield; deze eigenschap zou een aanzienlijke verbetering van de resolutie in diverse display- en optische communicatietechnologieën mogelijk kunnen maken.
"We moeten heroverwegen hoe materialen gevormd kunnen worden en hoe ze functioneren", aldus Gang. "Materiaalherontwerp is misschien niet nodig; simpelweg bestaande materialen op nieuwe manieren verpakken kan hun eigenschappen verbeteren. Potentieel zou ons platform een technologie kunnen zijn die 'verder gaat dan 3D-printen' om materialen op veel kleinere schaal en met een grotere materiaalvariëteit en ontworpen samenstellingen te beheersen. Door dezelfde aanpak te gebruiken om 3D-roosters te vormen van gewenste nano-objecten van verschillende materiaalklassen, en die te integreren die anders als onverenigbaar zouden worden beschouwd, zou de nanofabricage radicaal kunnen veranderen."
Materiaal geleverd door DOE/Brookhaven National Laboratory. Let op: de inhoud kan worden aangepast qua stijl en lengte.
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-reader:
Vertel ons wat u van ScienceDaily vindt — we stellen zowel positieve als negatieve reacties op prijs. Heeft u problemen met het gebruik van de site? Vragen?
Plaatsingstijd: 4 juli 2022