Byg hårde 3D nanomaterialer med DNA

Columbia Engineering forskere, arbejder med Brookhaven National Laboratory, rapporter i dag, at de har bygget designet nanopartikel-baserede 3D-materialer, der kan modstå et vakuum, høje temperaturer, højt tryk, og høj stråling. Denne nye fremstillingsproces resulterer i robuste og fuldt konstruerede rammer i nanoskala, der ikke kun kan rumme en række funktionelle nanopartikeltyper, men som også hurtigt kan behandles med konventionelle nanofremstillingsmetoder.

"Disse selvsamlede nanopartikler-baserede materialer er så modstandsdygtige, at de kan flyve i rummet, " siger Oleg Gang, professor i kemiteknik og anvendt fysik og materialevidenskab, der ledede undersøgelsen offentliggjort i dag af Videnskabens fremskridt . "Vi var i stand til at overføre 3D DNA-nanopartikelarkitekturer fra flydende tilstand - og fra at være et bøjeligt materiale - til fast tilstand, hvor silica forstærker DNA-stivere. Dette nye materiale bevarer fuldt ud sin oprindelige rammearkitektur af DNA-nanopartikelgitter, i det væsentlige at skabe en 3D uorganisk replika. Dette gjorde det muligt for os at udforske - for første gang - hvordan disse nanomaterialer kan kæmpe mod barske forhold, hvordan de dannes, og hvad deres egenskaber er."

Materialeegenskaber er forskellige på nanoskala, og forskere har længe undersøgt, hvordan man bruger disse små materialer—1, 000 til 10, 000 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår – i alle slags anvendelser, fra at lave sensorer til telefoner til at bygge hurtigere chips til bærbare computere. Fremstillingsteknikker, imidlertid, har været udfordrende med at realisere 3D nano-arkitekturer. DNA nanoteknologi gør det muligt at skabe komplekst organiserede materialer fra nanopartikler gennem selvsamling, men i betragtning af den bløde og miljøafhængige natur af DNA, sådanne materialer kan være stabile under kun et snævert område af forhold. I modsætning, de nydannede materialer kan nu bruges i en bred vifte af applikationer, hvor disse konstruerede strukturer er påkrævet. Mens konventionel nanofabrikation udmærker sig ved at skabe plane strukturer, Gangs nye metode giver mulighed for fremstilling af 3D nanomaterialer, der er ved at blive afgørende for så mange elektroniske, optisk, og energianvendelser.

Bande, som har en fælles udnævnelse som gruppeleder for Soft and Bio Nanomaterials Group på Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials, er på forkant med DNA-nanoteknologi, som er afhængig af at folde DNA-kæden til ønskede to- og tredimensionelle nanostrukturer. Disse nanostrukturer bliver byggeklodser, der kan programmeres via Watson-Crick-interaktioner til selv at samle til 3D-arkitekturer. Hans gruppe designer og danner disse DNA-nanostrukturer, integrerer dem med nanopartikler og styrer samlingen af ​​målrettede nanopartikel-baserede materialer. Og, nu, med denne nye teknik, holdet kan omstille disse materialer fra at være bløde og skrøbelige til solide og robuste.

Denne nye undersøgelse viser en effektiv metode til at konvertere 3D DNA-nanopartikelgitre til silica replikaer, samtidig med at topologien af ​​interpartikelforbindelserne ved DNA-stivere og integriteten af ​​nanopartikelorganisationen opretholdes. Silica fungerer godt, fordi det hjælper med at bevare nanostrukturen af ​​det overordnede DNA-gitter, danner en robust afstøbning af det underliggende DNA og påvirker ikke nanopartiklers arrangementer.

"DNA'et i sådanne gittere overtager egenskaberne af silica, " siger Aaron Michelson, en ph.d. elev fra Gangs gruppe. "Det bliver stabilt i luften og kan tørres og giver mulighed for 3D nanoskala-analyse af materialet for første gang i det virkelige rum. Desuden, silica giver styrke og kemisk stabilitet, det er billigt og kan ændres efter behov – det er et meget praktisk materiale."

For at lære mere om egenskaberne ved deres nanostrukturer, holdet udsatte de konverterede til silica DNA-nanopartikler gitter for ekstreme forhold:høje temperaturer over 1, 0000C og høje mekaniske spændinger over 8GPa (ca. 80, 000 gange mere end atmosfæretrykket, eller 80 gange mere end på det dybeste hav, Marianergraven), og studerede disse processer in situ. For at måle strukturernes levedygtighed for applikationer og yderligere behandlingstrin, forskerne udsatte dem også for høje doser af stråling og fokuserede ionstråler.

"Vores analyse af anvendeligheden af ​​disse strukturer til at koble sammen med traditionelle nanofabrikationsteknikker viser en virkelig robust platform til at generere modstandsdygtige nanomaterialer via DNA-baserede tilgange til at opdage deres nye egenskaber, " Banden noterer. "Dette er et stort skridt fremad, da disse specifikke egenskaber betyder, at vi kan bruge vores 3D-nanomaterialesamling og stadig få adgang til hele rækken af ​​konventionelle materialebehandlingstrin. Denne integration af nye og konventionelle nanofremstillingsmetoder er nødvendig for at opnå fremskridt inden for mekanik, elektronik, plasmonik, fotonik, superledningsevne, og energimaterialer."

Samarbejde baseret på Gangs arbejde har allerede ført til ny superledning og omdannelse af silica til ledende og halvledende medier til videre behandling. Disse omfatter en tidligere undersøgelse offentliggjort af Naturkommunikation og en for nylig udgivet af Nano bogstaver . Forskerne planlægger også at ændre strukturen for at lave en bred vifte af materialer med meget ønskelige mekaniske og optiske egenskaber.

"Computere er blevet lavet med silicium i over 40 år, " Gang tilføjer. "Det tog fire årtier at presse fremstillingen ned til omkring 10 nm for plane strukturer og enheder. Nu kan vi lave og samle nanoobjekter i et reagensglas på et par timer uden dyrt værktøj. Otte milliarder forbindelser på et enkelt gitter kan nu orkestreres til selv at samle gennem nanoskala processer, som vi kan konstruere. Hver forbindelse kunne være en transistor, en sensor, eller en optisk emitter - hver kan være en smule data, der er lagret. Mens Moores lov er langsommere, programmerbarheden af ​​DNA-samlingstilgange er til for at bringe os videre til at løse problemer i nye materialer og nanofremstilling. Selvom dette har været ekstremt udfordrende for nuværende metoder, det er enormt vigtigt for nye teknologier."