Mokslininkai sukūrė platformą, skirtą surinkti labai skirtingų tipų – neorganinių ar organinių – nanomatmenų medžiagų komponentus arba „nanoobjektus“ į norimas 3D struktūras. Nors savaiminio surinkimo (SA) metodas buvo sėkmingai naudojamas įvairių rūšių nanomedžiagoms organizuoti, šis procesas buvo itin specifinis sistemai, sukuriant skirtingas struktūras, pagrįstas medžiagų vidinėmis savybėmis. Kaip pranešama šiandien žurnale „Nature Materials“, jų nauja DNR programuojama nanofabrikacijos platforma gali būti taikoma įvairioms 3D medžiagoms organizuoti tais pačiais nustatytais būdais nanoskalėje (milijardinėmis metro dalimis), kur atsiranda unikalios optinės, cheminės ir kitos savybės.
„Viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl SA nėra praktinio pritaikymo metodas, yra ta, kad tas pats SA procesas negali būti taikomas įvairioms medžiagoms, siekiant sukurti identiškus 3D tvarkingus masyvus iš skirtingų nanokomponentų“, – aiškino atitinkamas autorius Olegas Gangas, Funkcinių nanomedžiagų centro (CFN) – JAV Energetikos departamento (DOE) Mokslo biuro naudotojų įrenginio Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje – minkštųjų ir bionanomedžiagų grupės vadovas ir Kolumbijos inžinerijos universiteto taikomosios fizikos bei medžiagų mokslo profesorius. „Čia mes atsiejome SA procesą nuo medžiagų savybių, sukurdami standžius daugiakampius DNR karkasus, kurie gali apgaubti įvairius neorganinius arba organinius nanoobjektus, įskaitant metalus, puslaidininkius ir net baltymus bei fermentus.“
Mokslininkai sukūrė sintetinius DNR rėmelius kubo, oktaedro ir tetraedro formos. Rėmelių viduje yra DNR „rankos“, prie kurių gali prisijungti tik nanoobjektai su komplementaria DNR seka. Šie materialūs vokseliai – DNR rėmelio ir nanoobjekto integracija – yra statybiniai blokai, iš kurių gali būti sukurtos makroskalės 3D struktūros. Rėmeliai jungiasi vienas su kitu, nepriklausomai nuo to, kokio tipo nanoobjektas yra viduje (ar ne), pagal komplementarias sekas, kuriomis jie yra užkoduoti savo viršūnėse. Priklausomai nuo jų formos, rėmeliai turi skirtingą viršūnių skaičių ir todėl sudaro visiškai skirtingas struktūras. Visi rėmelių viduje esantys nanoobjektai įgauna tą specifinę rėmelio struktūrą.
Norėdami pademonstruoti savo surinkimo metodą, mokslininkai pasirinko metalines (aukso) ir puslaidininkines (kadmio selenido) nanodaleles bei bakterinį baltymą (streptavidiną) kaip neorganinius ir organinius nanoobjektus, kurie bus patalpinti DNR rėmeliuose. Pirmiausia jie patvirtino DNR rėmelių vientisumą ir medžiagos vokselių susidarymą, vaizduodami elektroniniais mikroskopais CFN elektroninės mikroskopijos įrenginyje ir Van Andel institute, kuriame yra prietaisų rinkinys, veikiantis kriogeninėje temperatūroje biologiniams mėginiams. Tada jie tyrė 3D grotelių struktūras Nacionalinio sinchrotroninio šviesos šaltinio II (NSLS-II) koherentinių kietųjų rentgeno spindulių sklaidos ir sudėtingų medžiagų sklaidos spindulių linijose – dar vienoje Energetikos departamento Mokslo biuro naudotojų įstaigoje Brookhaven laboratorijoje. Kolumbijos inžinerijos universiteto chemijos inžinerijos profesorius Sanat Kumar ir jo grupė atliko kompiuterinį modeliavimą, kuris atskleidė, kad eksperimentiškai stebėtos grotelių struktūros (remiantis rentgeno spindulių sklaidos modeliais) buvo termodinamiškai stabiliausios, kokias galėjo sudaryti medžiagos vokseliai.
„Šie medžiagų vokseliai leidžia mums pradėti naudoti idėjas, gautas iš atomų (ir molekulių) bei jų formuojamų kristalų, ir perkelti šias didžiules žinias bei duomenų bazę į dominančias nanoskalės sistemas“, – aiškino Kumaras.
Gango studentai Kolumbijos universitete pademonstravo, kaip surinkimo platforma galėtų būti naudojama dviejų skirtingų rūšių medžiagų, turinčių chemines ir optines funkcijas, organizavimui. Vienu atveju jie surinko du fermentus, sukurdami 3D matricas su dideliu pakavimo tankiu. Nors fermentai chemiškai nepakito, jų fermentinis aktyvumas padidėjo maždaug keturis kartus. Šie „nanoreaktoriai“ galėtų būti naudojami kaskadinėms reakcijoms manipuliuoti ir chemiškai aktyvių medžiagų gamybai. Optinės medžiagos demonstravimui jie sumaišė dviejų skirtingų spalvų kvantinius taškus – mažyčius nanokristalus, kurie naudojami televizijos ekranams, pasižymintiems 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 galėtų žymiai pagerinti skiriamąją gebą įvairiose ekranų ir optinio ryšio technologijose.
„Turime permąstyti, kaip medžiagos gali būti formuojamos ir kaip jos funkcionuoja“, – sakė Gangas. „Medžiagų pertvarkymas gali būti nebūtinas; tiesiog esamų medžiagų pakavimas naujais būdais galėtų pagerinti jų savybes. Potencialiai mūsų platforma galėtų būti technologija, pranokstanti 3D spausdinimo gamybą, leidžianti valdyti medžiagas daug mažesniu mastu, su didesne medžiagų įvairove ir suprojektuotomis kompozicijomis. Naudojant tą patį metodą 3D gardelėms formuoti iš norimų skirtingų medžiagų klasių nanoobjektų, integruojant tuos, kurie kitaip būtų laikomi nesuderinamais, būtų galima sukelti revoliuciją nanogamyboje.“
Medžiagas pateikė Energetikos departamentas / Brukheiveno nacionalinė laboratorija. Pastaba: turinys gali būti redaguojamas dėl stiliaus ir ilgio.
Gaukite naujausias mokslo naujienas su nemokamais „ScienceDaily“ el. pašto naujienlaiškiais, atnaujinamais kasdien ir kas savaitę. Arba peržiūrėkite kas valandą atnaujinamus naujienų srautus savo RSS skaitytuve:
Papasakokite, ką manote apie „ScienceDaily“ – laukiame tiek teigiamų, tiek neigiamų komentarų. Turite problemų naudodamiesi svetaine? Klausimų?
Įrašo laikas: 2022 m. liepos 4 d.