Shkencëtarët kanë zhvilluar një platformë për montimin e përbërësve të materialit me madhësi nanoz, ose "nano-objekteve" të llojeve shumë të ndryshme - inorganike ose organike - në strukturat e dëshiruara 3-D. Megjithëse vetë-montimi (SA) është përdorur me sukses për të organizuar nanomateriale të disa llojeve, procesi ka qenë jashtëzakonisht specifik për sistemin, duke gjeneruar struktura të ndryshme bazuar në vetitë e brendshme të materialeve. Siç raportohet në një punim të botuar sot në Nature Materials, platforma e tyre e re e nanofabrikimit e programueshme me ADN mund të aplikohet për të organizuar një shumëllojshmëri materialesh 3-D në të njëjtat mënyra të përshkruara në shkallën nano (të miliardat e një metri), ku optike unike, kimike , dhe shfaqen prona të tjera.
"Një nga arsyet kryesore pse SA nuk është një teknikë e zgjedhur për aplikime praktike është se i njëjti proces SA nuk mund të aplikohet në një gamë të gjerë materialesh për të krijuar grupe identike të renditura 3-D nga nanokomponentë të ndryshëm," shpjegoi autori përkatës Oleg Gang. , udhëheqës i Grupit të Nanomaterialeve Soft dhe Bio në Qendrën për Nanomaterialet Funksionale (CFN) — një përdorues i Zyrës së Shkencës të Departamentit të Energjisë të SHBA (DOE) Objekti në Laboratorin Kombëtar Brookhaven - dhe një profesor i Inxhinierisë Kimike dhe i Fizikës së Aplikuar dhe Shkencës së Materialeve në Columbia Engineering. "Këtu, ne e shkëputëm procesin SA nga vetitë e materialit duke projektuar korniza të ngurtë poliedrike të ADN-së që mund të kapsulojnë nano-objekte të ndryshme inorganike ose organike, duke përfshirë metale, gjysmëpërçues, madje edhe proteina dhe enzima."
Shkencëtarët projektuan korniza sintetike të ADN-së në formën e një kubi, oktaedri dhe tetraedri. Brenda kornizave janë "krahët" e ADN-së me të cilët mund të lidhen vetëm nano-objektet me sekuencën plotësuese të ADN-së. Këto voksele materiale - integrimi i kornizës së ADN-së dhe nano-objektit - janë blloqet ndërtuese nga të cilat mund të bëhen strukturat 3-D në shkallë makro. Kornizat lidhen me njëri-tjetrin pavarësisht se çfarë lloj nano-objekti është brenda (ose jo) sipas sekuencave plotësuese me të cilat janë të koduara në kulmet e tyre. Në varësi të formës së tyre, kornizat kanë një numër të ndryshëm kulmesh dhe kështu formojnë struktura krejtësisht të ndryshme. Çdo nano-objekt i vendosur brenda kornizave merr atë strukturë specifike të kornizës.
Për të demonstruar qasjen e tyre të montimit, shkencëtarët zgjodhën nanogrimcat metalike (ari) dhe gjysmëpërçuese (selenid kadmiumi) dhe një proteinë bakteriale (streptavidin) si nano-objekte inorganike dhe organike që do të vendoseshin brenda kornizave të ADN-së. Së pari, ata konfirmuan integritetin e kornizave të ADN-së dhe formimin e vokseleve të materialit duke imazhuar me mikroskop elektron në Qendrën e Mikroskopisë Elektronike CFN dhe Institutin Van Andel, i cili ka një grup instrumentesh që funksionojnë në temperatura kriogjenike për mostrat biologjike. Më pas ata hetuan strukturat e rrjetës 3-D në linjat e rrezeve të shpërndarjes koherente të ngurtë me rreze X dhe materialeve komplekse të Burimit Kombëtar të Dritës Synchrotron II (NSLS-II) - një objekt tjetër përdoruesi i Zyrës së Shkencës të DOE në Laboratorin Brookhaven. Columbia Engineering Bykhovsky Profesori i Inxhinierisë Kimike Sanat Kumar dhe grupi i tij kryen modelim llogaritës duke zbuluar se strukturat e rrjetave të vëzhguara eksperimentalisht (bazuar në modelet e shpërndarjes së rrezeve x) ishin ato termodinamikisht më të qëndrueshme që voksele materiale mund të formonin.
"Këto voksele materiale na lejojnë të fillojmë të përdorim idetë që rrjedhin nga atomet (dhe molekulat) dhe kristalet që ato formojnë, dhe të transferojmë këtë njohuri dhe bazë të dhënash të gjerë në sistemet me interes në shkallë nano," shpjegoi Kumar.
Studentët e Gang në Columbia më pas demonstruan se si platforma e montimit mund të përdoret për të nxitur organizimin e dy llojeve të ndryshme të materialeve me funksione kimike dhe optike. Në një rast, ata bashkuan dy enzima, duke krijuar grupe 3-D me një densitet të lartë paketimi. Megjithëse enzimat mbetën të pandryshuara kimikisht, ato treguan rreth katërfish rritje të aktivitetit enzimatik. Këta "nanoreaktorë" mund të përdoren për të manipuluar reaksionet e kaskadës dhe për të mundësuar fabrikimin e materialeve kimikisht aktive. Për demonstrimin e materialit optik, ata përzien dy ngjyra të ndryshme pikash kuantike – nanokristale të vogla që po përdoren për të bërë ekrane televizive me ngopje dhe shkëlqim të lartë të ngjyrave. Imazhet e kapura me një mikroskop fluoreshent treguan se rrjeta e formuar ruan pastërtinë e ngjyrës nën kufirin e difraksionit (gjatësisë valore) të dritës; kjo veçori mund të lejojë përmirësim të ndjeshëm të rezolucionit në teknologji të ndryshme të komunikimit të ekranit dhe optik.
"Ne duhet të rimendojmë se si materialet mund të formohen dhe si funksionojnë ato," tha Gang. “Ridizajnimi i materialit mund të mos jetë i nevojshëm; thjesht paketimi i materialeve ekzistuese në mënyra të reja mund të përmirësojë vetitë e tyre. Potencialisht, platforma jonë mund të jetë një teknologji mundëson 'përtej prodhimit të printimit 3-D' për të kontrolluar materialet në shkallë shumë më të vogla dhe me shumëllojshmëri materialesh dhe kompozime të dizajnuara më shumë. Përdorimi i së njëjtës qasje për të formuar rrjeta 3-D nga nano-objektet e dëshiruara të klasave të ndryshme materiale, duke integruar ato që përndryshe do të konsideroheshin të papajtueshme, mund të revolucionarizojë nanoprodhimin.”
Materialet e siguruara nga DOE/Brookhaven National Laboratory. Shënim: Përmbajtja mund të modifikohet për stil dhe gjatësi.
Merrni lajmet më të fundit shkencore me buletinet falas të emailit të ScienceDaily, të përditësuara çdo ditë dhe javore. Ose shikoni burimet e lajmeve të përditësuara çdo orë në lexuesin tuaj RSS:
Na tregoni se çfarë mendoni për ScienceDaily - ne mirëpresim komente pozitive dhe negative. Keni ndonjë problem me përdorimin e faqes? Pyetje?
Koha e postimit: Korrik-04-2022