Encellede arkitekter inspirerer til ny nanoteknologi

Kiselalger er små, encellede skabninger, bebo oceaner, søer, floder, og jord. Gennem deres åndedræt, de producerer tæt på en fjerdedel af ilten på jorden, næsten lige så meget som verdens tropiske skove. Ud over deres økologiske succes over hele planeten, de har en række bemærkelsesværdige egenskaber. Kiselalger lever i glaslignende hjem af deres eget design, synlig under forstørrelse i en forbløffende og æstetisk smuk række af former.

Forskere har fundet inspiration i disse mikroskopiske, juvellignende produkter fra naturen siden deres opdagelse i slutningen af ​​det 18. århundrede. I en ny undersøgelse, Arizona State University (ASU) forskere ledet af professor Hao Yan, i samarbejde med forskere fra Shanghai Institute of Applied Physics ved det kinesiske videnskabsakademi og Shanghai Jiaotong University ledet af prof. Chunhai Fan, har designet en række kiselalgerlignende nanostrukturer.

For at opnå dette, de låner teknikker, der bruges af naturligt forekommende kiselalger til at afsætte lag af silica - den primære bestanddel i glas - for at dyrke deres indviklede skaller. Ved at bruge en teknik kendt som DNA-origami, gruppen designede platforme i nanoskala i forskellige former, hvor partikler af silica, trukket af elektrisk ladning, kunne holde fast.

Den nye forskning viser, at silicaaflejring effektivt kan anvendes på syntetiske, DNA-baserede arkitekturer, forbedre deres elasticitet og holdbarhed. Arbejdet kan i sidste ende have vidtrækkende anvendelser i nye optiske systemer, halvleder nanolitografi, nanoelektronik, nanorobotik og medicinske applikationer, inklusive medicinafgivelse.

Yan er Milton D. Glick Distinguished Professor i kemi og biokemi og leder Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. Gruppens resultater rapporteres i tidsskriftets avancerede online Natur .

Forskere som Yan og Fan skaber sofistikerede nanoarkitekturer i 2- og 3-dimensioner, bruge DNA som byggemateriale. Metoden, kendt som DNA origami, er afhængig af de baseparrende egenskaber af DNA's fire nukleotider, hvis navne er forkortet A, T, C og G.

Den stigelignende struktur af DNA-dobbelthelixen dannes, når komplementære strenge af nukleotider binder sig til hinanden - C-nukleotiderne parrer altid med Gs og As altid parrer med Ts. Denne forudsigelige adfærd kan udnyttes til at producere et stort set ubegrænset udvalg af konstruerede former, som kan designes på forhånd. Nanostrukturerne samles derefter selv i et reagensglas.

I den nye undersøgelse, forskere ville se, om arkitekturer designet med DNA, hver måler kun milliardtedele af en meter i diameter, kunne bruges som strukturelle rammer, hvorpå kiselalgerlignende exoskeletter sammensat af silica kunne vokse på en præcis og kontrollerbar måde. Deres vellykkede resultater viser kraften i dette hybride ægteskab mellem natur og nanoteknik, som forfatterne kalder DNA Origami Silicification (DOS).

"Her, vi demonstrerede, at den rigtige kemi kan udvikles til at producere DNA-silica-hybridmaterialer, der trofast replikerer den komplekse geometriske information fra en lang række forskellige DNA-origami-stilladser. Vores resultater etablerede en generel metode til at skabe biomimetiske silica nanostrukturer, " sagde Yan.

Blandt de geometriske DNA-rammer designet og konstrueret i eksperimenterne var 2-D krydsninger, firkanter, trekanter og DOS-kiselalger honeycomb-former samt 3-D-terninger, tetraeder, halvkugler, toroid og ellipsoide former, forekommer som enkelte enheder eller gitter.

Når DNA-rammerne var færdige, klynger af silicapartikler, der bærer en positiv ladning, blev trukket elektrostatisk til overfladerne af de elektrisk negative DNA-former, akkumulerer over en periode på flere dage, som fin maling påført en æggeskal. En række transmissions- og scanningselektronmikrofotografier blev lavet af de resulterende DOS-former, afslører nøjagtig og effektiv kiselalgerlignende silicificering.

Metoden viste sig effektiv til silicificering af stellignende, buede og porøse nanostrukturer varierende i størrelse fra 10-1000 nanometer, (de største strukturer er nogenlunde på størrelse med bakterier). Præcis kontrol over silicaskallens tykkelse opnås blot ved at regulere vækstens varighed.

De hybride DOS-kiselalger nanostrukturer blev oprindeligt karakteriseret ved hjælp af et par kraftfulde værktøjer, der var i stand til at afsløre deres bittesmå former, Transmissionselektronmikroskopi (TEM) og atomkraftmikroskopi (AFM). De resulterende billeder afslører meget klarere konturer for nanostrukturerne efter aflejringen af ​​silica.

Metoden til nanofabrikation er så præcis, forskere var i stand til at fremstille trekanter, firkanter og sekskanter med ensartede porer, der måler mindre end 10 nm i diameter - langt den mindste opnået til dato, ved hjælp af DNA origami litografi. Yderligere, teknikken skitseret i det nye studie udstyrer forskere med mere nøjagtig kontrol over konstruktionen af ​​3-D nanostrukturer i vilkårlige former, som ofte er udfordrende at producere gennem eksisterende metoder.

En egenskab ved naturlige kiselalger af stor interesse for nanoingeniører som Yan og Fan er den specifikke styrke af deres silicaskaller. Specifik styrke refererer til et materiales modstand mod brud i forhold til dets densitet. Forskere har fundet ud af, at kiselalgernes silicaarkitektur ikke kun er inspirerende elegant, men usædvanligt hård. Ja, silicaeksoskeletterne, der omslutter kiselalger, har den højeste specifikke styrke af noget biologisk produceret materiale, inklusive knogler, gevir, og tænder.

I den aktuelle undersøgelse, forskere brugte AFM til at måle modstanden mod brud af deres silica-augmenterede DNA-nanostrukturer. Ligesom deres naturlige modstykker, disse former viste langt større styrke og modstandsdygtighed, viser en 10-dobling af de kræfter, de kunne modstå, sammenlignet med usilikerede designs, samtidig med at de bevarer en betydelig fleksibilitet.

Undersøgelsen viser også, at den øgede stivhed af DOS nanostrukturer stiger med deres væksttid. Som forfatterne bemærker, disse resultater er i overensstemmelse med de karakteristiske mekaniske egenskaber for biomineraler produceret af naturen, kombinerer imponerende holdbarhed med fleksibilitet.

Et sidste eksperiment involverede designet af en ny 3-D tetraedrisk nanostruktur ved hjælp af guld nanorods som støttende stivere til en DOS-fabrikeret enhed. Denne nye struktur var i stand til trofast at bevare sin form sammenlignet med en lignende struktur, der manglede silikat, som deformerede og kollapsede.

Forskningen åbner en vej for naturinspirerede innovationer inden for nanoteknologi, hvor DNA-arkitekturer fungerer som skabeloner, der kan være belagt med silica eller måske andre uorganiske materialer, herunder calciumfosfat, calciumcarbonat, jernoxid eller andre metaloxider, giver unikke egenskaber.

"Vi er interesserede i at udvikle metoder til at skabe hybride nanostrukturer af højere orden. F.eks. multi-layered/multi-component hybrid materials may be achieved by a stepwise deposition of different materials to further expand the biomimetic diversity, " said Fan.

Such capabilities will open up new opportunities to engineer highly programmable solid-state nanopores with hierarchical features, new porous materials with designed structural periodicity, cavity and functionality, plasmonic and meta-materials. The bio-inspired and biomimetic approach demonstrated in this paper represents a general framework for use with inorganic device nanofabrication that has arbitrary 3-D shapes and functions and offers diverse potential applications in fields such as nano-electronics, nano-photonics, and nano-robotics.