Os científicos desenvolveron unha plataforma para montar compoñentes materiais nanosizados, ou "nano-obxectos", de tipos moi diferentes-inorgánicos ou orgánicos-en estruturas 3-D desexadas. Aínda que o autoensamblaxe (SA) foi usado con éxito para organizar nanomateriais de varios tipos, o proceso foi extremadamente específico do sistema, xerando estruturas diferentes baseadas nas propiedades intrínsecas dos materiais. Segundo se informa nun artigo publicado hoxe en Nature Materials, a súa nova plataforma de nanofabricación programable en ADN pode aplicarse para organizar unha variedade de materiais 3-D das mesmas formas prescritas na nanoescala (mil millóns de metros), onde xorden as propiedades ópticas, químicas e outras únicas.
"Unha das principais razóns polas que a SA non é unha técnica de elección para aplicacións prácticas é que o mesmo proceso SA non se pode aplicar a través dunha ampla gama de materiais para crear idénticas matrices ordenadas en 3-D de diferentes nanocomponentes", explicou o autor correspondente Oleg Gang, líder do departamento suave e bio-nanomateriales do Centro para o centro de ciencia en Ciencias Nanomateriales en Ciencias do Brocotero de Nanomateriales Nacionais (Doe), no centro da ciencia, no centro de ciencia. Laboratorio - e profesor de Enxeñaría Química e de Física Aplicada e Ciencias dos Materiais en Columbia Engineering. "Aquí, desacoplamos o proceso de SA a partir de propiedades do material deseñando marcos de ADN poliédricos ríxidos que poden encapsular diversos nano-obxectos inorgánicos ou orgánicos, incluíndo metais, semiconductores e incluso proteínas e encimas."
Os científicos deseñaron marcos de ADN sintéticos en forma de cubo, octaedro e tetraedro. Dentro dos cadros hai "brazos" de ADN aos que só os nano-obxectos coa secuencia complementaria de ADN poden unirse. Estes voxeles materiais-a integración do marco do ADN e do nano-obxecto-son os bloques de construción dos que se poden facer estruturas en 3-D macroscala. Os cadros se conectan entre si, independentemente de que tipo de nano-obxecto está dentro (ou non) segundo as secuencias complementarias coas que se codifican nos seus vértices. Dependendo da súa forma, os cadros teñen un número diferente de vértices e, polo tanto, forman estruturas completamente diferentes. Todos os nano-obxectos aloxados dentro dos cadros toman esa estrutura de cadros específicos.
Para demostrar o seu enfoque de montaxe, os científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (ouro) e semiconductores (selenida de cadmio) e unha proteína bacteriana (estreptavidina) como nano-obxectos inorgánicos e orgánicos para ser colocados dentro dos cadros do ADN. En primeiro lugar, confirmaron a integridade dos cadros de ADN e a formación de voxeles materiais mediante a imaxe con microscopios electrónicos na instalación de microscopía electrónica CFN e o Instituto Van Andel, que ten unha suite de instrumentos que operan a temperaturas criogénicas para mostras biolóxicas. Despois probaron as estruturas de enreixado en 3-D nas liñas de dispersión de raios X duros coherentes e os feixes de dispersión de materiais complexos da fonte nacional de luz de Synchrotron II (NSLS-II)-outra oficina de usuarios de ciencias DOE no laboratorio Brookhaven. Columbia Engineering Bykhovsky Profesor de Enxeñaría Química Sanat Kumar e o seu grupo realizaron un modelo computacional revelando que as estruturas de celosía observadas experimentalmente (baseadas nos patróns de dispersión de raios X) foron as máis estables termodinamicamente estables que podían formar os voxeles materiais.
"Estes voxeles materiais permítennos comezar a usar ideas derivadas de átomos (e moléculas) e dos cristais que forman, e portan este amplo coñecemento e base de datos a sistemas de interese na nanoescala", explicou Kumar.
Os estudantes de Gang en Columbia demostraron entón como se podería usar a plataforma de montaxe para impulsar a organización de dous tipos diferentes de materiais con funcións químicas e ópticas. Nun caso, co-ensamblaron dous encimas, creando matrices en 3D cunha alta densidade de embalaxe. Aínda que as enzimas permaneceron químicamente sen cambios, mostraron un aumento de catro veces da actividade enzimática. Estes "nanoreactores" poderían usarse para manipular as reaccións en cascada e permitir a fabricación de materiais químicamente activos. Para a demostración de material óptico, mesturaron dúas cores diferentes de puntos cuánticos: pequenos nanocristalos que se están a usar para facer pantallas de televisión con alta saturación de cores e brillo. As imaxes capturadas cun microscopio de fluorescencia demostraron que o enreixado formado mantivo a pureza de cor debaixo do límite de difracción (lonxitude de onda) da luz; Esta propiedade podería permitir unha mellora significativa da resolución en diversas tecnoloxías de visualización e comunicación óptica.
"Necesitamos repensar como se poden formar materiais e como funcionan", dixo Gang. “Pode que o rediseño de materiais non sexa necesario; Simplemente envasar materiais existentes de novas formas podería mellorar as súas propiedades. Potencialmente, a nosa plataforma podería ser unha tecnoloxía habilitante "máis alá da fabricación de impresión en 3D" para controlar materiais a escalas moito máis pequenas e cunha maior variedade material e composicións deseñadas. Usando o mesmo enfoque para formar celosas 3-D a partir de nano-obxectos desexados de diferentes clases de materiais, integrar aqueles que doutro xeito se considerarían incompatibles, podería revolucionar a nanomanización. "
Materiais fornecidos polo laboratorio nacional de DOE/Brookhaven. Nota: Pódese editar o contido para o estilo e a lonxitude.
Obtén as últimas noticias científicas cos boletíns de correo electrónico gratuítos de ScienceDaily, actualizados diariamente e semanalmente. Ou ver as noticias actualizadas no seu lector RSS:
Cóntanos o que pensas de ScienceDaily: acollemos comentarios positivos e negativos. ¿Tes algún problema usando o sitio? Preguntas?
Tempo de publicación: xul-04-2022