Af rynker og ledninger:Kapillaritets-induceret hudfoldning danner spontant tilpasset DNA-nanowire

(Phys.org) – Nanotråde lavet af DNA (deoxyribonukleinsyre) – en af ​​flere typer molekylære nanotråde, der inkorporerer gentagne molekylære enheder – er præcis det:Geometrisk ledningslignende DNA-baserede nanostrukturer defineret forskelligt som havende en 1~10 nm (10) ⁻⁹ m) diameter eller et længde-til-diameter-forhold> 1000. Mens nanotråde kan laves af flere organiske og uorganiske materialer, DNA nanotråde har vist sig at give en række værdifulde applikationer i programmeret selvsamling ^{1, 2} af funktionelle materialer - inklusive metalliske og halvleder nanotråde til brug i elektroniske enheder - såvel som biologiske, medicinsk, og genetiske analyseapplikationer ^{3, 4, 5} . Når det er sagt, Adoption af DNA nanotråd har været begrænset på grund af historiske begrænsninger i evnen til at kontrollere deres strukturelle parametre – specifikt, størrelse, geometri og justering. For nylig, imidlertid, forskere ved Korea Institute of Science and Technology og Princeton University udnyttede kapillærkræfterne i vand indeholdende DNA-molekyler til at demonstrere størrelseskontrollerbare lige eller bølgede justerede DNA-nanotråde, der spontant blev dannet af vand, der trængte ind i rynkede kanaler i en komprimeret tynd hud på et blødt underlag, som efterfølgende inducerede en rynke-til-fold overgang.

Adjunkt og hovedforfatter So Nagashima, Adjunkt Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor Howard A. Stone, og hovedforsker Myoung-Woon Moon diskuterede det papir, de og deres medforfattere udgav i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Jeg tror, ​​at det mest udfordrende aspekt ved at udtænke vores metode til at bruge en tynd hudskabelon, der reagerer på vand ved dynamisk at ændre dens overflademorfologi, var at finde de forhold, hvor rynke-til-fold overgangen opstår, " fortæller Moon Phys.org . "De kritiske forhold som funktion af den påførte belastning, indledende rynkegeometrier, og tykkelsen af ​​hudlaget bestemt af iltplasmabehandlingens varighed var svære at finde." Moon tilføjer, at observationsteknikken for den dynamiske overgang var begrænset til kun optiske mikroskoper, hvis højeste optiske opløsning falder mellem 100 til 1000 nm i bredden af ​​nanotråde, dette skyldes den dynamiske overgang, der finder sted på submikronskalaen.

Når man inducerer en skabelonoverflade rynke-til-fold overgang ved at udnytte kapillærkræfterne fra vand indeholdende DNA-molekyler, Stone påpeger, observationen af, at vand ændrer rynke-til-fold overgangen, er ny. "Så vidt vi ved, vores er den første undersøgelse, der viser denne effekt, som viser en anvendelse af sådanne folder til alignment af DNA. I øvrigt, kontrol af overfladespænding eller resulterende kapillærkræfter og området for folddannelse er relativt hårdt - og ved at tilføje DNA-molekyler til vand, det ser ud til, at overfladespændingen er ændret, så foldningsovergangslængden var kortere."

Skabelonforberedelse brugte en oxygenplasmabehandling af forstrakt polydimethylsiloxan (eller PDMS, en polymer organosiliciumforbindelse) substrater i varierende varighed. "Faktisk, " Moon forklarer, "manipulation af PDMS med presstretching strain er en relativt veludviklet metode, ligesom oxygenplasmabehandlingen er:begge er blevet diskuteret i litteraturen. Vi kan lave prøverne med forskellige størrelser fra nogle få millimeter til et par centimeter, som også kan laves på meget større areal." Moon bemærker, at forskerne også kan variere polydimethylsiloxans mekaniske egenskaber - for at gøre det mere strækbart, blød eller fleksibel - ved at ændre forholdet mellem elastomer og tværbinder til PDMS-forberedelse.

Et nøgleaspekt af undersøgelsen var at bekræfte, at den nye metode pålideligt manipulerer DNA-nanowire-størrelsen, geometri, og justering. "Ved at justere betingelserne for strækbelastning, plasmabehandlingens varighed, og post-kompression af den strakte PDMS, DNA nanotråde kan være en halv cylinder, en perfekt cylinder, eller bølget trådform, " fortæller Moon Phys.org . "Ved at ændre rynkegeometrierne, såsom amplituden - som er styret af belastningen - kan man kontrollere afstanden mellem ledninger i foldekanalen." Større afstande mellem ledninger, han fortsætter, kan opnås ved at komprimere PDMS mindre, mens komprimering af underlaget mere giver mindre afstande.

For at løse disse udfordringer, forskerne opdagede en transformation som følge af kapillærkræfter, der virker ved kanten af ​​en vanddråbe, der kan med kun 1 % kompression, forvandle rynker til folder, som i fravær af en væskedråbe kun dannes ved meget høj (~30%) kompression. Ud over, Moon tilføjer, mindre stoffer som biomolekyler eller nanopartikler kan følge vandkanalen for at danne afstemte 1-dimensionelle nanostrukturer. "Mindre er bedre. Mindre er mere. Vi har fundet ud af, at overgangen fra rynke til fold finder sted lettere, når følgende faktorer bliver mindre:kompressionsniveau, hudtykkelse, dråbevolumen, størrelsen af ​​prøveoverfladen, og statiske kontaktvinkler for dråber."

Baseret på deres resultater, forfatterne udtalte, at deres tilgang kunne føre til nye måder at fremstille funktionelle materialer på. "Vores nøglefund er, at man kan ændre rynker til lokale folder ved blot at udnytte vandets kapillærkræfter på rynkede overflader under meget lille belastning på omkring 1% i kompression, " fortæller Nagashima Phys.org . "Nylige undersøgelser rapporteret i litteraturen har vist, at sådanne rynke-til-fold overgange kan hjælpe med at udvikle systemer, der dynamisk ændrer deres egenskaber i henhold til overfladens morfologi. at inducere overgangen i fravær af vand er vanskeligt at opnå i praksis, fordi generelt, stor kompression skal påføres hud-substratsystemet, hvilket hindrer bredere anvendelser. Vores undersøgelse viser, at selv 1 % af kompressionen, hvilket er det kritiske niveau for at skabe rynker i vores tilfælde, er stor nok til at udløse overgangen til folder lokalt, når der er vand til stede." Nagashima bemærker, at selvom det kompressionsniveau, der kræves for at fremkalde overgangen, kan variere afhængigt af det anvendte hudfilmsystem, kun et lille kompressionsniveau ville være nødvendigt i kombination med vand.

"Dette fænomen kan betragtes som en litografifri metode, der giver mulighed for klar fremstilling af arrays af nanomaterialer, hvor deres størrelse, længde, og periodicitet kunne indstilles robust, " fortsætter han. "Desuden, ikke kun vand, men andre væsker kunne bruges til at bære nanomaterialer og til at fremkalde overgangen fra rynke til fold."

Moon beskriver flere eksempler på potentiale de novo fremstillings- og analyseteknikker, inklusive nanoskala litografi, nanoimprint, vækst ved kemisk dampaflejring, og kemisk reaktion. "Vores metode kan potentielt bruges til fremstilling af 1-dimensionelle nanotråde eller nanoarrays til anvendelse på DNA-analyse med meget fortyndede eller små mængder DNA; DNA-skabeloner som nye metal- eller keramiske nanostrukturer; og DNA-behandlingsanordninger til heling af modificeret DNA. I tilføjelse, man kan anvende denne teknik til at håndtere protein, blod, eller nanopartikler på nanoskala."

Košmrlj og Stone fortæller Phys.org at et område af planlagt forskning er fokuseret på ikke-lineær analyse og modellering for forbedret kvantitativ forståelse af den kapillaritetsinducerede rynke-til-fold overgang. "Da vores system er sammensat af den mekaniske opførsel af foldningsovergangen udløst af væskeoverfladespænding, den rynke-til-fold overgang, som vi har fundet, er forbundet med store deformationer, hvor konventionel lineær elasticitetsteori ikke gælder. Mens de grundlæggende mekanismer kan forklares inden for den lineære teori, kvantitativ sammenligning med eksperimenter kan kun opnås ved at tage højde for geometriske og materielle ulineariteter. Vi udfører derfor numeriske simuleringer ved at koble væskeoverfladespænding og faststofdeformation, samt at udføre analyser med forstyrrelsesserier, hvor ulineariteter af elastiske strukturer kan studeres systematisk."

"Jeg tror også, at udfordringerne forude er at finde ud af, hvordan man kan opnå større områder til DNA-mønsterdannelse, " siger Moon. "Faktisk, vores seneste resultater - opnået efter denne PNAS-artikel blev accepteret - viser nogle imponerende fremskridt for regionen med rynke-til-fold overgang i større områder, såsom hele området under en vanddråbe. Et andet område, der skal undersøges, Månen fortsætter, vedrører det faktum, at biologisk morfogenese af hud-substratsystemer er allestedsnærværende i organismer, hvor vand er en hovedbestanddel. "Vi forsøger at finde situationer, hvor vores resultater er anvendelige. Aktivt samarbejde med eksperter på området ville være nyttigt."

Forskerne kan også undersøge andre materialer end PDMS. "Ja. andre polymerer kan fungere, hvis de har de grundlæggende faktorer til at styre foldningsovergangen, disse er tyndheden af ​​nano-huden og bløde kropsmaterialer, og overfladehydrofilicitet for at sikre tilstrækkelig overfladereaktion med væske, "Månen bemærker.

Andre mulige fremtidige forskningsinteresser og yderligere innovationer nævnt af forfatterne omfatter:

- teoretisk analyse for at belyse den underliggende fysik relateret til den vand-inducerede overfladefoldning

- Udnyt den underliggende fysik til at udvikle en robust og massefremstillingsmetode til at inducere rynke-til-fold overgangen

- finde og diskutere morfologiske ændringer i naturen, hvor vand sandsynligvis er en nøglefaktor

- anvende den aktuelle undersøgelses resultater til DNA-analyse eller DNA-lægemiddelanordninger

- 2-D/3-D sensorer, diagnostiske værktøjer, og lægemiddelfrigivelsessystemer

- skabeloner til fremstilling af 1-dimensionelle nanomaterialer

- metoder til lokal mønsterdannelse

"Jeg tror, ​​at dette arbejde er gavnligt for materialevidenskab til nanotrådskabeloner, mekanik for fluidiske kanaler, og biologi til kvantitativ analyse af DNA eller andre biomolekyler, " slutter Moon.

© 2017 Phys.org