Para saintis telah membangunkan platform untuk memasang komponen bahan bersaiz nano, atau "objek nano," daripada jenis yang sangat berbeza - bukan organik atau organik - ke dalam struktur 3-D yang dikehendaki. Walaupun pemasangan sendiri (SA) telah berjaya digunakan untuk menyusun bahan nano daripada beberapa jenis, proses itu sangat khusus sistem, menghasilkan struktur yang berbeza berdasarkan sifat intrinsik bahan tersebut. Seperti yang dilaporkan dalam kertas kerja yang diterbitkan hari ini dalam Bahan Alam Semulajadi, platform nanofabrikasi boleh diprogramkan DNA baharu mereka boleh digunakan untuk menyusun pelbagai bahan 3-D dengan cara yang ditetapkan pada skala nano (persejuta meter), di mana optik unik, kimia. , dan hartanah lain muncul.
"Salah satu sebab utama mengapa SA bukan teknik pilihan untuk aplikasi praktikal ialah proses SA yang sama tidak boleh digunakan merentasi pelbagai bahan untuk mencipta tatasusunan tertib 3-D yang serupa daripada nanokomponen yang berbeza," jelas pengarang yang sepadan Oleg Gang , ketua Kumpulan Bahan Nano Lembut dan Bio di Pusat Bahan Nano Berfungsi (CFN) — Pejabat Kemudahan Pengguna Sains Jabatan Tenaga (JAS) AS di Makmal Kebangsaan Brookhaven — dan seorang profesor Kejuruteraan Kimia dan Fizik Gunaan dan Sains Bahan di Columbia Engineering. "Di sini, kami memisahkan proses SA daripada sifat bahan dengan mereka bentuk bingkai DNA polihedral tegar yang boleh merangkum pelbagai objek nano bukan organik atau organik, termasuk logam, semikonduktor, dan juga protein dan enzim."
Para saintis mereka bentuk bingkai DNA sintetik dalam bentuk kubus, oktahedron, dan tetrahedron. Di dalam bingkai adalah "lengan" DNA yang hanya boleh diikat oleh objek nano dengan urutan DNA pelengkap. Voksel bahan ini - penyepaduan bingkai DNA dan objek nano - adalah blok binaan dari mana struktur 3-D skala makro boleh dibuat. Bingkai bersambung antara satu sama lain tanpa mengira jenis objek nano yang ada di dalam (atau tidak) mengikut urutan pelengkap yang dikodkan dengannya di bucunya. Bergantung pada bentuknya, bingkai mempunyai bilangan bucu yang berbeza dan dengan itu membentuk struktur yang sama sekali berbeza. Mana-mana objek nano yang dihoskan di dalam bingkai mengambil struktur bingkai khusus tersebut.
Untuk menunjukkan pendekatan pemasangan mereka, saintis memilih nanopartikel logam (emas) dan semikonduktor (kadmium selenide) dan protein bakteria (streptavidin) sebagai objek nano bukan organik dan organik untuk diletakkan di dalam bingkai DNA. Pertama, mereka mengesahkan integriti bingkai DNA dan pembentukan voxel bahan dengan pengimejan dengan mikroskop elektron di Kemudahan Mikroskopi Elektron CFN dan Institut Van Andel, yang mempunyai set instrumen yang beroperasi pada suhu kriogenik untuk sampel biologi. Mereka kemudiannya menyiasat struktur kekisi 3-D di garis pancaran Penyebaran Sinar-X Keras Keras dan Penyebaran Bahan Kompleks National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) — satu lagi Kemudahan Pengguna Pejabat Sains DOE di Brookhaven Lab. Kejuruteraan Columbia Bykhovsky Profesor Kejuruteraan Kimia Sanat Kumar dan kumpulannya melakukan pemodelan pengiraan mendedahkan bahawa struktur kekisi yang diperhatikan secara eksperimen (berdasarkan corak serakan sinar-x) adalah yang paling stabil secara termodinamik yang boleh dibentuk oleh voxel bahan.
"Voxel bahan ini membolehkan kami mula menggunakan idea yang diperoleh daripada atom (dan molekul) dan kristal yang mereka bentuk, dan memindahkan pengetahuan dan pangkalan data yang luas ini kepada sistem yang menarik pada skala nano," jelas Kumar.
Pelajar Gang di Columbia kemudian menunjukkan bagaimana platform pemasangan boleh digunakan untuk memacu organisasi dua jenis bahan yang berbeza dengan fungsi kimia dan optik. Dalam satu kes, mereka mengumpulkan dua enzim, mencipta tatasusunan 3-D dengan ketumpatan pembungkusan yang tinggi. Walaupun enzim kekal tidak berubah secara kimia, mereka menunjukkan peningkatan empat kali ganda dalam aktiviti enzim. "Nanoreactors" ini boleh digunakan untuk memanipulasi tindak balas lata dan membolehkan fabrikasi bahan aktif kimia. Untuk demonstrasi bahan optik, mereka mencampurkan dua warna titik kuantum yang berbeza — nanohablur kecil yang digunakan untuk membuat paparan televisyen dengan ketepuan dan kecerahan warna yang tinggi. Imej yang ditangkap dengan mikroskop pendarfluor menunjukkan bahawa kekisi yang terbentuk mengekalkan ketulenan warna di bawah had pembelauan (panjang gelombang) cahaya; harta ini boleh membenarkan peningkatan resolusi yang ketara dalam pelbagai paparan dan teknologi komunikasi optik.
"Kita perlu memikirkan semula bagaimana bahan boleh dibentuk dan bagaimana ia berfungsi," kata Gang. “Reka bentuk semula bahan mungkin tidak diperlukan; hanya membungkus bahan sedia ada dengan cara baharu boleh meningkatkan sifatnya. Berkemungkinan, platform kami boleh menjadi teknologi yang membolehkan 'melangkaui pembuatan percetakan 3-D' untuk mengawal bahan pada skala yang lebih kecil dan dengan kepelbagaian bahan yang lebih besar dan gubahan yang direka bentuk. Menggunakan pendekatan yang sama untuk membentuk kekisi 3-D daripada objek nano yang dikehendaki daripada kelas bahan yang berbeza, menyepadukan yang sebaliknya akan dianggap tidak serasi, boleh merevolusikan pembuatan nano."
Bahan yang disediakan oleh JAS/Makmal Kebangsaan Brookhaven. Nota: Kandungan boleh diedit untuk gaya dan panjang.
Dapatkan berita sains terkini dengan surat berita e-mel percuma ScienceDaily, dikemas kini setiap hari dan mingguan. Atau lihat suapan berita yang dikemas kini setiap jam dalam pembaca RSS anda:
Beritahu kami pendapat anda tentang ScienceDaily — kami mengalu-alukan komen positif dan negatif. Ada sebarang masalah menggunakan tapak? Soalan?
Masa siaran: Jul-04-2022