Uns científicos desenvolveron unha plataforma para ensamblar compoñentes de materiais de tamaño nanométrico, ou "nanoobxectos", de tipos moi diferentes (inorgánicos ou orgánicos) en estruturas tridimensionais desexadas. Aínda que a autoensamblaxe (SA) se empregou con éxito para organizar nanomateriais de varios tipos, o proceso foi extremadamente específico do sistema, xerando diferentes estruturas baseadas nas propiedades intrínsecas dos materiais. Segundo se informa nun artigo publicado hoxe en Nature Materials, a súa nova plataforma de nanofabricación programable por ADN pódese aplicar para organizar unha variedade de materiais tridimensionais das mesmas formas prescritas a nanoescala (milmillonésimas de metro), onde xorden propiedades ópticas, químicas e outras propiedades únicas.
«Unha das principais razóns polas que a AS non é unha técnica elixible para aplicacións prácticas é que o mesmo proceso de AS non se pode aplicar a unha ampla gama de materiais para crear matrices ordenadas en 3D idénticas a partir de diferentes nanocompoñentes», explicou o autor correspondente Oleg Gang, líder do Grupo de Nanomateriais Blandos e Biolóxicos do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), unha instalación de usuarios da Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (DOE) no Laboratorio Nacional de Brookhaven e profesor de Enxeñaría Química e de Física Aplicada e Ciencia dos Materiais en Columbia Engineering. «Aquí, desacoplamos o proceso de AS das propiedades dos materiais deseñando marcos de ADN poliédricos ríxidos que poden encapsular varios nanoobxectos inorgánicos ou orgánicos, incluíndo metais, semicondutores e mesmo proteínas e encimas».
Os científicos deseñaron estruturas de ADN sintéticas en forma de cubo, octaedro e tetraedro. Dentro das estruturas hai "brazos" de ADN aos que só se poden unir os nanoobxectos coa secuencia de ADN complementaria. Estes vóxeles materiais (a integración da estrutura de ADN e o nanoobxecto) son os elementos básicos a partir dos cales se poden crear estruturas tridimensionais a macroescala. As estruturas conéctanse entre si independentemente do tipo de nanoobxecto que haxa no seu interior (ou non), segundo as secuencias complementarias coas que estean codificadas nos seus vértices. Dependendo da súa forma, as estruturas teñen un número diferente de vértices e, polo tanto, forman estruturas completamente diferentes. Calquera nanoobxecto aloxado dentro das estruturas adopta esa estrutura de estrutura específica.
Para demostrar o seu enfoque de ensamblaxe, os científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (ouro) e semicondutoras (seleniuro de cadmio) e unha proteína bacteriana (estreptavidina) como nanoobxectos inorgánicos e orgánicos que se colocarían dentro dos marcos de ADN. En primeiro lugar, confirmaron a integridade dos marcos de ADN e a formación de vóxeles materiais mediante imaxes con microscopios electrónicos no Centro de Microscopía Electrónica CFN e no Instituto Van Andel, que conta cun conxunto de instrumentos que funcionan a temperaturas crioxénicas para mostras biolóxicas. Despois, exploraron as estruturas de rede tridimensional nas liñas de feixe de dispersión de raios X duros coherentes e dispersión de materiais complexos da Fonte Nacional de Luz de Sincrotrón II (NSLS-II), outra instalación de usuarios da Oficina de Ciencias do DOE no Laboratorio Brookhaven. O profesor de Enxeñaría Química Bykhovsky de Columbia Engineering, Sanat Kumar, e o seu grupo realizaron modelos computacionais que revelaron que as estruturas de rede observadas experimentalmente (baseadas nos patróns de dispersión de raios X) eran as máis estables termodinamicamente que podían formar os vóxeles materiais.
«Estes vóxeles materiais permítennos comezar a empregar ideas derivadas dos átomos (e moléculas) e dos cristais que forman, e transferir este vasto coñecemento e base de datos a sistemas de interese a nanoescala», explicou Kumar.
Os estudantes de Gang en Columbia demostraron entón como a plataforma de ensamblaxe podería empregarse para impulsar a organización de dous tipos diferentes de materiais con funcións químicas e ópticas. Nun caso, coensamblaron dous encimas, creando matrices tridimensionais cunha alta densidade de empaquetamento. Aínda que os encimas permaneceron quimicamente sen cambios, mostraron un aumento de aproximadamente catro veces na actividade encimática. Estes "nanorreactores" poderían empregarse para manipular reaccións en cascada e permitir a fabricación de materiais quimicamente activos. Para a demostración do material óptico, mesturaron dúas cores diferentes de puntos cuánticos: pequenos nanocristais que se utilizan para fabricar pantallas de televisión con alta saturación de cor e brillo. As imaxes capturadas cun microscopio de fluorescencia mostraron que a rede formada mantiña a pureza da cor por debaixo do límite de difracción (lonxitude de onda) da luz; esta propiedade podería permitir unha mellora significativa da resolución en diversas tecnoloxías de comunicación óptica e de visualización.
«Temos que repensar como se poden formar os materiais e como funcionan», dixo Gang. «O redeseño dos materiais pode non ser necesario; o simple feito de empaquetar os materiais existentes de novas maneiras podería mellorar as súas propiedades. Potencialmente, a nosa plataforma podería ser unha tecnoloxía facilitadora «máis alá da fabricación con impresión 3D» para controlar os materiais a escalas moito máis pequenas e cunha maior variedade de materiais e composicións deseñadas. Empregar o mesmo enfoque para formar redes 3D a partir de nanoobxectos desexados de diferentes clases de materiais, integrando aqueles que doutro xeito serían considerados incompatibles, podería revolucionar a nanofabricación».
Materiais proporcionados polo DOE/Laboratorio Nacional de Brookhaven. Nota: O contido pode ser editado en canto a estilo e lonxitude.
Recibe as últimas novas científicas cos boletíns electrónicos gratuítos de ScienceDaily, actualizados diaria e semanalmente. Ou consulta as fontes de noticias actualizadas cada hora no teu lector RSS:
Dinos que pensas de ScienceDaily. Agradecemos tanto os comentarios positivos como os negativos. Tes algún problema para usar o sitio? Tes algunha pregunta?
Data de publicación: 04-07-2022