Ved hjælp af selvmontering, forskere lokker nanopartikler til at lave nye, tilpassede materialer

Når du tager en kasse med hjem fra møbelbutikken, du forventer ikke skruerne, lameller, og andre stykker til på magisk vis at samles i en seng eller et bord. Alligevel sker denne selvsamling hver dag i naturen. Intet fortæller atomer at binde sammen; intet fortæller DNA, hvordan det dannes. Levende materialer indeholder selve instruktionerne og evnen til at blive en større helhed.

"Selvsamling er den universelle proces, hvorved meget komplekse strukturer sættes sammen i naturen. De er dynamiske, de er multifunktionelle, de er tilpasningsdygtige, sagde Nick Kotov, en forsker fra University of Michigan.

Låsning af selvsamling kan give os mulighed for at skabe materialer, der ikke eksisterer naturligt, og som vi i øjeblikket ikke kan skabe os selv.

Ved hjælp af selvmontering, videnskabsmænd kunne skabe brugerdefinerede materialer, der både er alsidige som biologiske systemer og hårde som industrielle. Disse materialer kunne bruges i bedre vandrensere, mere effektive solceller, hurtigere katalysatorer, der forbedrer produktionen, og næste generations elektronik. Brug af selvsamling i fremstillingen kan også føre til billigere og mere effektive processer.

"Vi vil lave syntetiske materialer, der konkurrerer med det, vi ser i naturen, " sagde Ron Zuckermann, en forsker ved Molecular Foundry, en brugerfacilitet for Department of Energy (DOE) Office of Science. "Biologiske systemer er meget følsomme og skrøbelige. Vi ønsker at lave robuste materialer i industriel kvalitet, der kan gøre de samme ting [de gør]."

Men videnskabsmænd kan ikke skabe ting, der kombinerer det bedste af både biologiske og syntetiske egenskaber ud af et hvilket som helst stof. Nanopartikler er sandsynligvis nøglen. Når videnskabsmænd samler disse små partikler til plader eller rør, slutproduktet er ofte kun et atom højt. På grund af deres størrelse, nanopartikler virker anderledes end store mængder af det samme materiale. For eksempel, en guldklump spreder ikke lys, som en diamant gør. Men guld nanopartikler spreder lys meget godt, gør dem nyttige i elektronmikroskoper. I modsætning til almindelige materialer, forskere kan kontrollere nanopartiklernes egenskaber ved at ændre deres størrelse og form.

Lige nu, industrien kan kun bruge én type nanopartikel ad gangen. Det er, hvad du ser i solcreme og stoffer, der bruger nanopartikler. Imidlertid, at bygge specialfremstillede materialer, videnskabsmænd skal få flere slags nanopartikler til at interagere. I øjeblikket, den eneste måde at gøre dette på er at konstruere disse materialer partikel for partikel. Dette er en meget tidskrævende proces.

For at udvide nanopartiklers potentielle anvendelser, Department of Energy's Office of Science støtter forskning for at udnytte selvmontering. Fordi nanopartikler af metaller eller halvledere ikke samler sig selv på samme måde som levende systemer gør, videnskabsmænd undersøger deres forskelle og ligheder.

Spontan konstruktion

Nogle materialer, videnskabsmænd fandt, vil selv samle, hvis du placerer dem sammen i en flydende opløsning. De klikker sammen som ved et trylleslag. Men det er op til forskerne at finde ud af, hvilke materialer og løsninger, der skal blandes sammen for at give de former og egenskaber, de har brug for.

Forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) opdagede en familie af syntetiske polymerer, der danner hule nanorør, når du sætter dem i vand. Nanorør kunne forbedre katalysatorer, transport af anden nanoteknologi, og flytte antibiotika gennem kroppen. Denne opdagelse kunne også føre til at lave nanostrukturer, der udfører det enorme antal funktioner, som proteiner udfører, men er mere robuste og længerevarende end proteiner.

"Jeg er virkelig begejstret for evnen til at lave protein-efterlignende materialer, sagde Zuckermann.

Disse nanorør har to store fordele i forhold til tidligere. Forskere kunne manipulere dem til at have en ensartet længde og diameter. Dette er vigtigt for at bygge større strukturer med mere praktiske anvendelser. De hule rør er også dannet på en måde, der gør dem mindre tilbøjelige til at kollapse til en solid cylinder.

En lignende indsats ved University of Michigan fandt en form for cadmiumsulfid, som bruges til at lave solpaneler, der selv samles til skaller i vand, der er moderat basisk. Levende systemer bruger nanoskaller til væsentlige funktioner, såsom at kontrollere placeringen af ​​kemiske reaktioner. De syntetiske skaller, som er omkring halvdelen af ​​diameteren af ​​en virus, kan bruges i genterapi. Forskere fra University of Michigan modellerede skallerne på DOE Office of Sciences brugerfacilitet for National Energy Research Scientific Computing Center, før de skabte dem i laboratoriet.

DNA og små diamanter:De mindste guider, man kan forestille sig

Desværre, spontan selvsamling afhænger i høj grad af partiklernes egenskaber. Brug forskellige partikler, og selvmontering vil enten danne forskellige strukturer eller slet ikke forekomme.

Men forskere undersøger en anden tilgang, der vil fungere, uanset hvilken type partikel de bruger. Med denne metode, videnskabsmænd knytter et materiale, der ønsker at samle sig selv, til et andet nanomateriale, der ikke gør det. De materialer, der ønsker at samle sig selv, fungerer som velcrobånd, der bruges til at hænge billeder op. Normalt, billeder og væg ville ikke hænge sammen. Men ved at sætte en velcro-strimmel på hver enkelt og skubbe på dem, de låser på plads. Med denne metode, videnskabsmænd kunne forbinde enhver form for nanopartikler og gøre det i den form, de måtte ønske.

DNA er en af ​​de mest lovende former for denne nano-velcro. Forskere ved Center for Funktionelle Nanomaterialer (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet ved Brookhaven National Laboratory, undersøger denne metode.

"Ved brug af DNA, vi kan instruere partikler, hvordan man forbinder til hinanden, " sagde Oleg Gang, en CFN-forsker og professor ved Columbia University. Når videnskabsmænd binder syntetisk DNA til nanopartikler, DNA-strengene parrer sig på samme måde, som de gør i alt levende, at bringe nanopartiklerne med.

"Det er et 'smart' værktøj, " sagde Fang Lu, en CFN-forsker. "Vi kan designe, hvilken slags binding der er attraktiv, hvilken slags binding er frastødende."

I en undersøgelse fra 2015, videnskabsmænd brugte DNA'et til at forbinde forskellige typer nanopartikelformer. Mens sfærer normalt kun ville fæstne til sfærer, ved hjælp af DNA tillod dem også at forbinde med blokke.

Efter det, forskere gik videre til at skabe 3D-rammer ud af DNA'et. Denne undersøgelse tog det, de havde lært om at forbinde forskellige former sammen, til det næste niveau. Først, forskerne placerede en nanopartikel med et par enkeltstrenget DNA hængende af sig i hvert hjørne af en syntetisk DNA-ramme. Disse tråde forbandt partiklerne, samle partiklerne og rammerne til tredimensionelle objekter. Ved at forbinde rammer, der havde en række forskellige former - terninger, oktaeder, og tetraedre – videnskabsmænd kunne danne forskellige 3-D-arkitekturer. Denne metode kan føre til, at materialeindustrien kan bruge til at manipulere lys, gør kemiske reaktioner hurtigere, og påvirkning af biologiske processer.

Nu, videnskabsmænd bruger disse rammer til at bygge tilpassede 3-D nanoformer. Indtil nu, de har været i stand til at designe zig-zags, pindefigurer, og andre designs. Ved at stikke en guld nanopartikel i midten af ​​hver ramme, de skabte endda en krystalstruktur, der ligner den, man ser i diamanter. Forskere håber, at ved at ændre konfigurationer og tilføje nye typer partikler, de kan lokke endnu flere egenskaber frem.

På DOE's SLAC National Accelerator Laboratory, forskere bruger selv små diamanter. De opdagede, hvordan man selv samler "diamonoider" til de mindste nanotråde, der nogensinde er lavet, som stadig er stabile nok til at imødekomme videnskabsmænds behov. I modsætning til mindre nanotråde, videnskabsmænd kan opbevare diamonoide i luften, uden at de nedbrydes eller sprede dem i opløsningsmidler uden at ændre deres struktur.

"Det virkelig chokerende var, at vi fik dette smukke tre-atoms tværsnit af nanotråde, " sagde Nick Melosh, en SLAC-forsker. Sammenlignet med, de mindste carbon nanotråde er 10 atomer brede.

For at lave disse nanotråde, videnskabsmændene knyttet et svovlatom til diamantpartiklerne i molekylær skala. Da de placerede denne kombination i en opløsning med kobberioner, svovlet låste sig fast på kobberet. Dette skabte den grundlæggende nanotrådsbyggesten - et diamonoid bur, der bærer kobber- og svovlatomer. Diamonoiderne i de separate blokke trak sig derefter spontant sammen, trækker de andre nanopartikler med. Dette dannede nanotråden.

Den næste store udfordring er at bruge selvmontering til at designe materialer, der kan løse specifikke problemer, såsom at fange den rigtige type lys til solceller, eller filtrering af mikrober fra vand.

"[Jeg vil] udvikle metoder til at skabe systemer, som du har i din fantasi. Og det er meget, meget inspirerende, " sagde Gang.