Mokslininkai sukūrė platformą nanodydžių medžiagų komponentams arba „nanoobjektams“, labai skirtingų tipų – neorganiniams ar organiniams – surinkti į norimas 3D struktūras. Nors savaiminis surinkimas (SA) buvo sėkmingai naudojamas organizuojant kelių rūšių nanomedžiagas, procesas buvo labai specifinis sistemai, sukuriant skirtingas struktūras, pagrįstas medžiagų savybėmis. Kaip rašoma šiandien Nature Materials paskelbtame dokumente, jų nauja DNR programuojama nanogamybos platforma gali būti pritaikyta įvairioms trimačioms medžiagoms organizuoti tokiais pačiais nustatytais būdais nanoskalėje (milijardinėse metro dalyse), kur yra unikalios optinės, cheminės medžiagos. , ir atsiranda kitų savybių.
„Viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl SA nėra pasirinktas metodas praktiniam naudojimui, yra ta, kad to paties SA proceso negalima taikyti įvairioms medžiagoms, kad būtų sukurtos identiškos 3-D sutvarkytos matricos iš skirtingų nanokomponentų“, – aiškino atitinkamas autorius Olegas Gangas. , Minkštųjų ir biologinių nanomedžiagų grupės vadovas Funkcinių nanomedžiagų centre (CFN) – JAV Energetikos departamento (DOE) Mokslo biuro naudotojų padalinyje Brukhaveno nacionalinėje laboratorijoje. - ir chemijos inžinerijos bei taikomosios fizikos ir medžiagų mokslo profesorius Kolumbijos inžinerijoje. "Čia mes atsiejome SA procesą nuo medžiagos savybių, suprojektuodami standžius daugiakampius DNR rėmus, kurie gali apklijuoti įvairius neorganinius ar organinius nanoobjektus, įskaitant metalus, puslaidininkius ir net baltymus bei fermentus."
Mokslininkai sukūrė sintetinius DNR rėmelius kubo, oktaedro ir tetraedro pavidalu. Rėmelių viduje yra DNR „rankos“, prie kurių gali prisijungti tik nanoobjektai su papildoma DNR seka. Šie medžiagos vokseliai – DNR rėmo ir nanoobjekto integracija – yra statybiniai blokai, iš kurių galima sukurti makro masto 3D struktūras. Rėmeliai jungiasi vienas su kitu, nepaisant to, koks nanoobjektas yra viduje (ar ne), pagal papildomas sekas, kuriomis jie yra užkoduoti savo viršūnėse. Priklausomai nuo formos, rėmai turi skirtingą viršūnių skaičių ir todėl sudaro visiškai skirtingas struktūras. Bet kokie nanoobjektai, esantys rėmeliuose, įgauna tą konkrečią rėmo struktūrą.
Norėdami parodyti savo surinkimo metodą, mokslininkai pasirinko metalines (aukso) ir puslaidininkines (kadmio selenido) nanodaleles ir bakterinį baltymą (streptavidiną) kaip neorganinius ir organinius nanoobjektus, kurie turi būti dedami į DNR rėmelius. Pirma, jie patvirtino DNR rėmelių vientisumą ir medžiagų vokselių susidarymą, vaizduodami elektroniniais mikroskopais CFN elektronų mikroskopijos centre ir Van Andelio institute, kuriame yra instrumentų rinkinys, veikiantis kriogeninėje temperatūroje biologiniams mėginiams. Tada jie ištyrė 3-D grotelių struktūras Nacionalinio sinchrotroninio šviesos šaltinio II (NSLS-II) nuosekliosios kietosios rentgeno spinduliuotės sklaidos ir sudėtingų medžiagų sklaidos spindulių linijose - kitoje DOE mokslo biuro naudotojo įstaigoje Brookhaven laboratorijoje. Columbia Engineering Bykhovsky chemijos inžinerijos profesorius Sanatas Kumaras ir jo grupė atliko skaičiavimo modeliavimą ir atskleidė, kad eksperimentiškai stebimos gardelės struktūros (remiantis rentgeno spindulių sklaidos modeliais) buvo termodinamiškai stabiliausios, kurias galėjo sudaryti medžiagos vokseliai.
„Šie materialūs vokseliai leidžia mums pradėti naudoti idėjas, gautas iš atomų (ir molekulių) bei jų suformuotų kristalų, ir perkelti šias plačias žinias bei duomenų bazę į dominančias nanoskalės sistemas“, – aiškino Kumaras.
Tada gaujos studentai Kolumbijoje pademonstravo, kaip surinkimo platforma gali būti naudojama dviejų skirtingų medžiagų, turinčių cheminių ir optinių funkcijų, organizavimui. Vienu atveju jie kartu surinko du fermentus, sukurdami 3-D matricas su dideliu pakavimo tankiu. Nors fermentai išliko chemiškai nepakitę, jų fermentinis aktyvumas padidėjo maždaug keturis kartus. Šie "nanoreaktoriai" gali būti naudojami manipuliuoti kaskadinėmis reakcijomis ir sudaryti sąlygas chemiškai aktyvių medžiagų gamybai. Optinės medžiagos demonstravimui jie sumaišė dvi skirtingas kvantinių taškų spalvas - mažyčius nanokristalus, kurie naudojami televizijos ekranams su dideliu spalvų sodrumu ir ryškumu gaminti. Fluorescenciniu mikroskopu užfiksuoti vaizdai parodė, kad susidariusi gardelė išlaikė spalvų grynumą žemiau šviesos difrakcijos ribos (bangos ilgio); ši savybė leistų žymiai pagerinti įvairių ekranų ir optinių ryšių technologijų skiriamąją gebą.
„Turime permąstyti, kaip galima formuoti medžiagas ir kaip jos veikia“, – sakė Gang. „Medžiagos perdarymas gali būti nereikalingas; vien esamų medžiagų pakavimas naujais būdais galėtų pagerinti jų savybes. Potencialiai mūsų platforma galėtų būti įgalinanti technologija „ne tik 3-D spausdinimo gamybai“, kad būtų galima kontroliuoti medžiagas daug mažesniu mastu ir su didesne medžiagų įvairove bei suprojektuotomis kompozicijomis. Naudojant tą patį metodą formuojant 3-D groteles iš norimų skirtingų medžiagų klasių nanoobjektų, integruojant tuos, kurie kitu atveju būtų laikomi nesuderinamais, gali būti padaryta revoliucija nanogamyboje.
DOE/Brookhaven nacionalinės laboratorijos pateiktos medžiagos. Pastaba: turinys gali būti redaguojamas pagal stilių ir ilgį.
Gaukite naujausias mokslo naujienas naudodami nemokamus ScienceDaily naujienlaiškius el. paštu, atnaujinamus kasdien ir kas savaitę. Arba peržiūrėkite kas valandą atnaujinamus naujienų kanalus savo RSS skaitytuve:
Pasakykite mums, ką manote apie ScienceDaily – laukiame tiek teigiamų, tiek neigiamų komentarų. Ar turite problemų naudojant svetainę? Klausimai?
Paskelbimo laikas: 2022-04-04