Sciencistoj evoluigis platformon por kunmeti nanograndajn materialajn komponantojn, aŭ "nano-objektojn", de tre malsamaj tipoj - neorganikaj aŭ organikaj - en deziratajn 3D-strukturojn. Kvankam mem-asembleado (SA) estis sukcese uzata por organizi nanomaterialojn de pluraj specoj, la procezo estis ekstreme sistem-specifa, generante malsamajn strukturojn bazitajn sur la internaj ecoj de la materialoj. Kiel raportite en artikolo publikigita hodiaŭ en Nature Materials, ilia nova DNA-programebla nanofabrikada platformo povas esti aplikata por organizi diversajn 3D-materialojn laŭ la samaj preskribitaj manieroj je la nanoskalo (miliardonoj de metro), kie aperas unikaj optikaj, kemiaj kaj aliaj ecoj.
“Unu el la ĉefaj kialoj, kial SA ne estas elektita tekniko por praktikaj aplikoj, estas ke la sama SA-procezo ne povas esti aplikata trans larĝa gamo da materialoj por krei identajn 3D ordigitajn arojn el malsamaj nanokomponantoj,” klarigis la koresponda aŭtoro Oleg Gang, gvidanto de la Mola kaj Biologia Nanomateriala Grupo ĉe la Centro por Funkciaj Nanomaterialoj (CFN) — Uzanto-Instalaĵo de la Usona Departemento pri Energio (DOE) Oficejo pri Scienco ĉe la Nacia Laboratorio Brookhaven — kaj profesoro pri Kemia Inĝenierarto kaj pri Aplikata Fiziko kaj Materiala Scienco ĉe Columbia Engineering. “Ĉi tie, ni malkuplis la SA-procezon de materialaj ecoj per dizajnado de rigidaj polihedraj DNA-kadroj, kiuj povas enkapsuligi diversajn neorganikajn aŭ organikajn nanoobjektojn, inkluzive de metaloj, duonkonduktaĵoj, kaj eĉ proteinoj kaj enzimoj.”
La sciencistoj kreis sintezajn DNA-kadrojn en formo de kubo, oktaedro kaj kvaredro. Interne de la kadroj estas DNA-"brakoj", al kiuj nur nano-objektoj kun la komplementa DNA-sekvenco povas ligiĝi. Ĉi tiuj materiaj vokseloj — la integriĝo de la DNA-kadro kaj nano-objekto — estas la konstrubriketoj, el kiuj oni povas fari makroskalajn 3D-strukturojn. La kadroj konektiĝas unu al la alia sendepende de kia nano-objekto estas interne (aŭ ne) laŭ la komplementaj sekvencoj, kun kiuj ili estas ĉifritaj ĉe siaj verticoj. Depende de sia formo, kadroj havas malsaman nombron da verticoj kaj tiel formas tute malsamajn strukturojn. Ĉiuj nano-objektoj gastigitaj interne de la kadroj alprenas tiun specifan kadran strukturon.
Por demonstri sian kunmetmetodon, la sciencistoj elektis metalajn (oron) kaj duonkonduktajn (kadmioselenidon) nanopartiklojn kaj bakterian proteinon (streptavidinon) kiel la neorganikajn kaj organikajn nanoobjektojn metotajn en la DNA-kadrojn. Unue, ili konfirmis la integrecon de la DNA-kadroj kaj la formadon de materiaj vokseloj per bildigo per elektronaj mikroskopoj ĉe la CFN Elektrona Mikroskopia Instalaĵo kaj la Van Andel Instituto, kiu havas aron da instrumentoj funkciantaj je kriogenaj temperaturoj por biologiaj specimenoj. Ili poste esploris la 3-D kradstrukturojn ĉe la Koheraj Malmolaj Rentgen-Disĵetoj kaj Kompleksaj Materialoj-Disĵetoj de la Nacia Sinkrotrona Lumfonto II (NSLS-II) - alia Uzantinstalaĵo de la DOE Oficejo de Scienco ĉe la Brookhaven Laboratorio. Sanat Kumar, Profesoro pri Kemia Inĝenierarto de Columbia Engineering, kaj lia grupo plenumis komputilan modeladon, rivelante, ke la eksperimente observitaj kradstrukturoj (bazitaj sur la rentgen-disĵetaj padronoj) estis la plej termodinamike stabilaj, kiujn la materiaj vokseloj povis formi.
“Ĉi tiuj materiaj vokseloj permesas al ni komenci uzi ideojn derivitajn de atomoj (kaj molekuloj) kaj la kristaloj, kiujn ili formas, kaj porti ĉi tiun vastan scion kaj datumbazon al sistemoj de intereso je la nanoskalo,” klarigis Kumar.
La studentoj de Gang ĉe Columbia poste montris kiel la muntplatformo povus esti uzata por organizi du malsamajn specojn de materialoj kun kemiaj kaj optikaj funkcioj. En unu kazo, ili kun-kunmetis du enzimojn, kreante 3D-arojn kun alta paka denseco. Kvankam la enzimoj restis kemie senŝanĝaj, ili montris ĉirkaŭ kvaroblan pliiĝon de enzima aktiveco. Ĉi tiuj "nanoreaktoroj" povus esti uzataj por manipuli kaskadajn reakciojn kaj ebligi la fabrikadon de kemie aktivaj materialoj. Por la demonstraĵo de optika materialo, ili miksis du malsamajn kolorojn de kvantumpunktoj - etaj nanokristaloj, kiuj estas uzataj por fari televidajn ekranojn kun alta kolorsaturiĝo kaj brileco. Bildoj kaptitaj per fluoreska mikroskopo montris, ke la formita krado konservis kolorpurecon sub la difrakta limo (ondolongo) de lumo; ĉi tiu eco povus permesi signifan plibonigon de la rezolucio en diversaj ekranaj kaj optikaj komunikadaj teknologioj.
“Ni bezonas repripensi kiel materialoj povas esti formitaj kaj kiel ili funkcias,” diris Gang. “Materiala restrukturado eble ne necesas; simple enpaki ekzistantajn materialojn laŭ novaj manieroj povus plibonigi iliajn ecojn. Potenciale, nia platformo povus esti ebliga teknologio 'preter 3D-presada fabrikado' por kontroli materialojn je multe pli malgrandaj skaloj kaj kun pli granda materiala diverseco kaj dizajnitaj konsistoj. Uzi la saman aliron por formi 3D-kradojn el dezirataj nano-objektoj de malsamaj materialklasoj, integrante tiujn, kiuj alie estus konsiderataj nekongruaj, povus revolucii nanofabrikadon.”
Materialoj provizitaj de DOE/Brookhaven Nacia Laboratorio. Noto: La enhavo povas esti redaktita laŭ stilo kaj longo.
Ricevu la plej novajn sciencajn novaĵojn per la senpagaj retpoŝtaj bultenoj de ScienceDaily, ĝisdatigitaj ĉiutage kaj ĉiusemajne. Aŭ rigardu ĉiuhorajn ĝisdatigitajn novaĵfluojn en via RSS-legilo:
Diru al ni vian opinion pri ScienceDaily — ni bonvenigas kaj pozitivajn kaj negativajn komentojn. Ĉu vi havas problemojn uzante la retejon? Demandojn?
Afiŝtempo: Jul-04-2022