Nano-objekter af begær:Samling af ordnede nanostrukturer i 3-D

Forskere har udviklet en platform til samling af materialekomponenter i nanostørrelse, eller "nano-objekter, " af meget forskellige typer - uorganiske eller organiske - i ønskede 3D-strukturer. Selvom selvmontering (SA) med succes er blevet brugt til at organisere nanomaterialer af flere slags, processen har været ekstremt systemspecifik, generere forskellige strukturer baseret på materialernes iboende egenskaber. Som rapporteret i en avis offentliggjort i dag i Naturmaterialer , deres nye DNA-programmerbare nanofremstillingsplatform kan anvendes til at organisere en række 3D-materialer på de samme foreskrevne måder på nanoskala (milliarddele af en meter), hvor unikke optiske, kemisk, og andre egenskaber dukker op.

"En af hovedårsagerne til, at SA ikke er den foretrukne teknik til praktiske anvendelser, er, at den samme SA-proces ikke kan anvendes på tværs af en bred vifte af materialer for at skabe identiske 3-D-ordnede arrays fra forskellige nanokomponenter, " forklarede den tilsvarende forfatter Oleg Gang, leder af Soft and Bio Nanomaterials Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - og en professor i kemiteknik og i anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia Engineering. "Her, vi afkoblede SA-processen fra materialeegenskaber ved at designe stive polyedriske DNA-rammer, der kan indkapsle forskellige uorganiske eller organiske nanoobjekter, herunder metaller, halvledere, og endda proteiner og enzymer."

Forskerne konstruerede syntetiske DNA-rammer i form af en terning, oktaeder, og tetraeder. Inde i rammerne er der DNA-"arme", som kun nanoobjekter med den komplementære DNA-sekvens kan binde sig til. Disse materielle voxels - integrationen af ​​DNA-rammen og nano-objektet - er byggestenene, hvorfra makroskala 3-D strukturer kan laves. Rammerne forbindes med hinanden, uanset hvilken slags nanoobjekt der er inde i (eller ej) i henhold til de komplementære sekvenser, de er kodet med ved deres hjørner. Afhængig af deres form, rammer har et forskelligt antal hjørner og danner således helt forskellige strukturer. Alle nanoobjekter, der er hostet inde i rammerne, antager den specifikke rammestruktur.

For at demonstrere deres samlingstilgang, forskerne udvalgte metalliske (guld) og halvledende (cadmiumselenid) nanopartikler og et bakterieprotein (streptavidin) som de uorganiske og organiske nanoobjekter, der skulle placeres inde i DNA-rammerne. Først, de bekræftede integriteten af ​​DNA-rammerne og dannelsen af ​​materiale voxels ved billeddannelse med elektronmikroskoper på CFN Electron Microscopy Facility og Van Andel Institute, som har en række instrumenter, der fungerer ved kryogene temperaturer til biologiske prøver. De undersøgte derefter 3-D-gitterstrukturerne ved Coherent Hard X-ray Scattering og Complex Materials Scattering beamlines af National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en anden DOE Office of Science User Facility på Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professor i kemiteknik Sanat Kumar og hans gruppe udførte beregningsmodeller, der afslørede, at de eksperimentelt observerede gitterstrukturer (baseret på røntgenstrålespredningsmønstrene) var de mest termodynamisk stabile, som materialets voxels kunne danne.

"Disse materielle voxels giver os mulighed for at begynde at bruge ideer afledt af atomer (og molekyler) og de krystaller, de danner, og overføre denne enorme viden og database til systemer af interesse på nanoskala, " forklarede Kumar.

Gangs studerende på Columbia demonstrerede derefter, hvordan montageplatformen kunne bruges til at drive organiseringen af ​​to forskellige slags materialer med kemiske og optiske funktioner. I et tilfælde de samlede to enzymer sammen, skabe 3D-arrays med en høj pakningstæthed. Selvom enzymerne forblev kemisk uændrede, de viste omkring en firedobling i enzymatisk aktivitet. Disse "nanoreaktorer" kunne bruges til at manipulere kaskadereaktioner og muliggøre fremstilling af kemisk aktive materialer. Til demonstrationen af ​​optisk materiale, de blandede to forskellige farver af kvanteprikker - små nanokrystaller, der bliver brugt til at lave tv-skærme med høj farvemætning og lysstyrke. Billeder taget med et fluorescensmikroskop viste, at det dannede gitter bibeholdt farverenheden under lysets diffraktionsgrænse (bølgelængde); denne egenskab kunne give mulighed for væsentlig forbedring af opløsningen i forskellige skærm- og optiske kommunikationsteknologier.

"Vi er nødt til at genoverveje, hvordan materialer kan dannes, og hvordan de fungerer, " sagde Gang. "Material redesign er muligvis ikke nødvendigt; blot at pakke eksisterende materialer på nye måder kan forbedre deres egenskaber. Potentielt, vores platform kunne være en muliggørende teknologi "ud over 3-D-printproduktion" til at kontrollere materialer i meget mindre skalaer og med større materialevariation og designede sammensætninger. Ved at bruge den samme tilgang til at danne 3D-gitter fra ønskede nanoobjekter af forskellige materialeklasser, at integrere dem, der ellers ville blive betragtet som uforenelige, kunne revolutionere nanofremstilling."