Vědci vyvinuli platformu pro sestavování nanorozměrných materiálových komponent neboli „nanoobjektů“ velmi odlišných typů – anorganických i organických – do požadovaných 3D struktur. Ačkoli se samosestavování (SA) úspěšně používá k organizaci nanomateriálů několika druhů, tento proces je extrémně systémově specifický a generuje různé struktury založené na vnitřních vlastnostech materiálů. Jak uvádí článek publikovaný dnes v Nature Materials, jejich nová platforma pro nanofabrikaci programovatelná pomocí DNA může být použita k organizaci různých 3D materiálů stejnými předepsanými způsoby v nanoměřítku (miliardtiny metru), kde se objevují jedinečné optické, chemické a další vlastnosti.
„Jedním z hlavních důvodů, proč se samonivelační agregace (SA) nepoužívají v praktických aplikacích, je to, že stejný proces SA nelze použít v široké škále materiálů k vytvoření identických 3D uspořádaných polí z různých nanosložek,“ vysvětlil odpovídající autor Oleg Gang, vedoucí skupiny pro měkké a bio nanomateriály v Centru pro funkční nanomateriály (CFN) – uživatelském zařízení Úřadu pro vědu amerického ministerstva energetiky (DOE) v Brookhavenské národní laboratoři – a profesor chemického inženýrství a aplikované fyziky a materiálových věd na Columbia Engineering. „Zde jsme oddělili proces SA od materiálových vlastností navržením rigidních polyedrických DNA rámců, které mohou zapouzdřit různé anorganické nebo organické nanoobjekty, včetně kovů, polovodičů a dokonce i proteinů a enzymů.“
Vědci vytvořili syntetické DNA rámce ve tvaru krychle, oktaedru a tetraedru. Uvnitř rámců se nacházejí DNA „ramena“, na která se mohou vázat pouze nanoobjekty s komplementární sekvencí DNA. Tyto materiální voxely – integrace DNA rámce a nanoobjektu – jsou stavebními bloky, ze kterých lze vytvořit makroměřítko 3D struktury. Rámce se vzájemně propojují bez ohledu na to, jaký druh nanoobjektu se uvnitř nachází (či nikoli), v závislosti na komplementárních sekvencích, kterými jsou kódovány ve svých vrcholech. V závislosti na svém tvaru mají rámce různý počet vrcholů, a proto tvoří zcela odlišné struktury. Jakékoli nanoobjekty umístěné uvnitř rámců přebírají tuto specifickou strukturu rámce.
Pro demonstraci svého přístupu k sestavování vědci vybrali kovové (zlato) a polovodivé (selenid kademnatý) nanočástice a bakteriální protein (streptavidin) jako anorganické a organické nanoobjekty, které mají být umístěny uvnitř DNA rámců. Nejprve potvrdili integritu DNA rámců a tvorbu materiálových voxelů zobrazováním elektronovými mikroskopy v zařízení CFN Electron Microscopy Facility a Van Andel Institute, který má sadu přístrojů pracujících při kryogenních teplotách pro biologické vzorky. Poté zkoumali 3D mřížkové struktury na svazcích koherentního tvrdého rentgenového rozptylu a rozptylu komplexních materiálů Národního synchrotronového zdroje světla II (NSLS-II) – dalšího uživatelského zařízení DOE Office of Science v Brookhaven Lab. Profesor chemického inženýrství Bykhovsky na Columbia Engineering a jeho skupina provedli výpočetní modelování, které odhalilo, že experimentálně pozorované mřížkové struktury (založené na obrazcích rentgenového rozptylu) byly termodynamicky nejstabilnější, jaké by materiálové voxely mohly tvořit.
„Tyto materiální voxely nám umožňují začít využívat myšlenky odvozené z atomů (a molekul) a krystalů, které tvoří, a přenášet tyto rozsáhlé znalosti a databázi do systémů, které nás zajímají v nanoměřítku,“ vysvětlil Kumar.
Gangovi studenti na Kolumbijské univerzitě poté předvedli, jak lze tuto montážní platformu využít k řízení organizace dvou různých druhů materiálů s chemickými a optickými funkcemi. V jednom případě společně sestavili dva enzymy, čímž vytvořili 3D pole s vysokou hustotou uspořádání. Ačkoli enzymy zůstaly chemicky nezměněny, vykazovaly přibližně čtyřnásobné zvýšení enzymatické aktivity. Tyto „nanoreaktory“ by mohly být použity k manipulaci s kaskádovými reakcemi a umožnit výrobu chemicky aktivních materiálů. Pro demonstraci optických materiálů smíchali dvě různé barvy kvantových teček – drobných nanokrystalů, které se používají k výrobě televizních displejů s vysokou sytostí barev a jasem. Snímky pořízené fluorescenčním mikroskopem ukázaly, že vytvořená mřížka si zachovala čistotu barev pod difrakčním limitem (vlnovou délkou) světla; tato vlastnost by mohla umožnit významné zlepšení rozlišení v různých zobrazovacích a optických komunikačních technologiích.
„Musíme přehodnotit, jak lze materiály formovat a jak fungují,“ řekl Gang. „Návrh materiálů nemusí být nutný; pouhé zabalení stávajících materiálů novým způsobem by mohlo vylepšit jejich vlastnosti. Naše platforma by potenciálně mohla být technologií „nad rámec 3D tisku“ pro řízení materiálů v mnohem menším měřítku a s větší rozmanitostí materiálů a navrženým složením. Použití stejného přístupu k vytváření 3D mřížek z požadovaných nanoobjektů různých materiálových tříd a integrace těch, které by jinak byly považovány za nekompatibilní, by mohla způsobit revoluci v nanovýrobě.“
Materiály poskytlo Ministerstvo energetiky USA/Brookhavenská národní laboratoř. Poznámka: Styl a délka obsahu mohou být upraveny.
Získejte nejnovější vědecké zprávy s bezplatnými e-mailovými zpravodaji ScienceDaily, aktualizovanými denně a týdně. Nebo si prohlédněte hodinově aktualizované zpravodajské kanály ve své čtečce RSS:
Sdělte nám svůj názor na ScienceDaily – vítáme pozitivní i negativní komentáře. Máte nějaké problémy s používáním webu? Máte otázky?
Čas zveřejnění: 4. července 2022