Zinātnieki ir izstrādājuši platformu ļoti dažādu veidu — neorganisku vai organisku — nanoizmēra materiālu komponentu jeb "nanoobjektu" salikšanai vēlamajās 3D struktūrās. Lai gan pašsalikšanās (PA) ir veiksmīgi izmantota dažādu veidu nanomateriālu organizēšanai, process ir bijis ārkārtīgi specifisks konkrētai sistēmai, radot dažādas struktūras, pamatojoties uz materiālu raksturīgajām īpašībām. Kā ziņots šodien žurnālā Nature Materials publicētā rakstā, viņu jauno DNS programmējamo nanofabricēšanas platformu var izmantot, lai organizētu dažādus 3D materiālus vienādos un tajos pašos noteiktajos veidos nanoskalā (miljardās daļas no metra), kur rodas unikālas optiskās, ķīmiskās un citas īpašības.
"Viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc sintēzes sintēze (SA) nav izvēles metode praktiskai pielietošanai, ir tas, ka vienu un to pašu sintēzes sintēzes procesu nevar pielietot plašam materiālu klāstam, lai izveidotu identiskus trīsdimensiju sakārtotus masīvus no dažādiem nanokomponentiem," skaidroja atbildīgais autors Oļegs Gangs, Funkcionālo nanomateriālu centra (CFN) Mīksto un bionanomateriālu grupas vadītājs — ASV Enerģētikas departamenta (DOE) Zinātnes biroja lietotāju iekārta Brukheivenas Nacionālajā laboratorijā — un ķīmijas inženierijas un lietišķās fizikas un materiālzinātnes profesors Kolumbijas Inženierzinātņu universitātē. "Šeit mēs atdalījām sintēzes sintēzes procesu no materiālu īpašībām, izstrādājot stingrus daudzstūrainus DNS rāmjus, kas var iekapsulēt dažādus neorganiskus vai organiskus nanoobjektus, tostarp metālus, pusvadītājus un pat olbaltumvielas un fermentus."
Zinātnieki izstrādāja sintētiskus DNS rāmjus kuba, oktaedra un tetraedra formā. Rāmju iekšpusē ir DNS "rokas", pie kurām var saistīties tikai nanoobjekti ar komplementāru DNS secību. Šie materiālie vokseļi — DNS rāmja un nanoobjekta integrācija — ir pamatelementi, no kuriem var veidot makro mēroga 3D struktūras. Rāmji savienojas viens ar otru neatkarīgi no tā, kāda veida nanoobjekts atrodas (vai neatrodas) iekšpusē, atbilstoši komplementārajām sekvencēm, ar kurām tie ir kodēti to virsotnēs. Atkarībā no to formas rāmjiem ir atšķirīgs virsotņu skaits, un tādējādi tie veido pilnīgi atšķirīgas struktūras. Visi nanoobjekti, kas atrodas rāmju iekšpusē, iegūst šo specifisko rāmja struktūru.
Lai demonstrētu savu montāžas pieeju, zinātnieki kā neorganiskus un organiskus nanoobjektus, kas jāievieto DNS ietvaros, izvēlējās metāla (zelta) un pusvadītāju (kadmija selenīda) nanodaļiņas un baktēriju proteīnu (streptavidīnu). Vispirms viņi apstiprināja DNS ietvaru integritāti un materiāla vokseļu veidošanos, attēlveidojot ar elektronmikroskopiem CFN elektronmikroskopijas iekārtā un Van Andela institūtā, kurā ir instrumentu komplekts, kas darbojas kriogēnās temperatūrās bioloģiskajiem paraugiem. Pēc tam viņi zondēja trīsdimensiju režģa struktūras Nacionālā sinhrotrona gaismas avota II (NSLS-II) koherentās cieto rentgenstaru izkliedes un komplekso materiālu izkliedes staru līnijās — vēl vienā DOE Zinātnes biroja lietotāju iekārtā Brukheivenas laboratorijā. Kolumbijas inženierzinātņu Bihovska ķīmiskās inženierijas profesors Sanats Kumars un viņa grupa veica skaitļošanas modelēšanu, atklājot, ka eksperimentāli novērotās režģa struktūras (pamatojoties uz rentgenstaru izkliedes modeļiem) bija termodinamiski visstabilākās, ko varēja veidot materiāla vokseļi.
"Šie materiālie vokseļi ļauj mums sākt izmantot idejas, kas atvasinātas no atomiem (un molekulām) un to veidotajiem kristāliem, un pārnest šīs plašās zināšanas un datubāzi uz interesējošām sistēmām nanoskalā," skaidroja Kumars.
Ganga studenti Kolumbijas Universitātē pēc tam demonstrēja, kā montāžas platformu varētu izmantot, lai vadītu divu dažādu veidu materiālu organizēšanu ar ķīmiskām un optiskām funkcijām. Vienā gadījumā viņi salika kopā divus enzīmus, izveidojot 3D masīvus ar augstu iepakojuma blīvumu. Lai gan enzīmi ķīmiski nemainījās, to fermentatīvā aktivitāte palielinājās aptuveni četras reizes. Šos "nanoreaktorus" varētu izmantot, lai manipulētu ar kaskādes reakcijām un nodrošinātu ķīmiski aktīvu materiālu ražošanu. Optiskā materiāla demonstrācijai viņi sajauca divu dažādu krāsu kvantu punktus — sīkus nanokristālus, ko izmanto, lai izgatavotu televīzijas displejus ar augstu krāsu piesātinājumu un spilgtumu. Ar fluorescences mikroskopu uzņemtie attēli parādīja, ka izveidotais režģis saglabāja krāsu tīrību zem gaismas difrakcijas robežas (viļņa garuma); šī īpašība varētu nodrošināt ievērojamu izšķirtspējas uzlabošanu dažādās displeju un optisko sakaru tehnoloģijās.
“Mums ir jāpārdomā, kā materiāli var tikt veidoti un kā tie darbojas,” sacīja Gangs. “Materiālu pārveidošana, iespējams, nav nepieciešama; esošo materiālu vienkārša iepakošana jaunā veidā varētu uzlabot to īpašības. Potenciāli mūsu platforma varētu būt tehnoloģija, kas sniedzas tālāk par 3D drukas ražošanu, lai kontrolētu materiālus daudz mazākā mērogā un ar lielāku materiālu daudzveidību un izstrādātām kompozīcijām. Izmantojot to pašu pieeju, lai veidotu 3D režģus no vēlamajiem dažādu materiālu klašu nanoobjektiem, integrējot tos, kas citādi tiktu uzskatīti par nesaderīgiem, varētu revolucionizēt nanoražošanu.”
Materiālus nodrošina DOE/Brookhaven National Laboratory. Piezīme. Saturs var tikt rediģēts stila un garuma ziņā.
Saņemiet jaunākās zinātnes ziņas, izmantojot ScienceDaily bezmaksas e-pasta biļetenus, kas tiek atjaunināti katru dienu un katru nedēļu. Vai arī skatiet ikstundas atjauninātās ziņu plūsmas savā RSS lasītājā:
Pastāstiet mums savu viedokli par ScienceDaily — mēs atzinīgi vērtējam gan pozitīvus, gan negatīvus komentārus. Vai jums ir kādas problēmas, lietojot vietni? Jautājumi?
Publicēšanas laiks: 2022. gada 4. jūlijs