Ученые разработали платформу для сборки наноразмерных компонентов материала или «нанообъектов» самых разных типов — неорганических или органических — в желаемые трехмерные структуры. Хотя самосборка (СА) успешно использовалась для организации наноматериалов нескольких видов, этот процесс был чрезвычайно специфичным для системы, создавая различные структуры на основе внутренних свойств материалов. Как сообщается в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Materials, их новая программируемая ДНК платформа нанопроизводства может применяться для организации множества трехмерных материалов одними и теми же предписанными способами на наноуровне (миллиардные доли метра), где уникальные оптические, химические и появляются другие свойства.
«Одна из основных причин, по которой СА не является методом выбора для практического применения, заключается в том, что один и тот же процесс СА не может быть применен к широкому спектру материалов для создания идентичных трехмерных упорядоченных массивов из разных нанокомпонентов», — объяснил соответствующий автор Олег Ганг. , руководитель группы мягких и бионаноматериалов в Центре функциональных наноматериалов (CFN) — научно-исследовательском центре Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории — и профессор химической инженерии и Прикладная физика и материаловедение в Columbia Engineering. «Здесь мы отделили процесс SA от свойств материала, разработав жесткие многогранные каркасы ДНК, которые могут инкапсулировать различные неорганические или органические нанообъекты, включая металлы, полупроводники и даже белки и ферменты».
Ученые создали синтетические каркасы ДНК в форме куба, октаэдра и тетраэдра. Внутри рамок находятся «руки» ДНК, с которыми могут связываться только нанообъекты с комплементарной последовательностью ДНК. Эти материальные воксели — интеграция каркаса ДНК и нанообъекта — являются строительными блоками, из которых можно создавать макромасштабные трехмерные структуры. Кадры соединяются друг с другом независимо от того, какой нанообъект находится внутри (или нет) согласно комплементарным последовательностям, которыми они закодированы в своих вершинах. В зависимости от формы фреймы имеют разное количество вершин и, таким образом, образуют совершенно разные структуры. Любые нанообъекты, размещенные внутри фреймов, принимают эту специфическую структуру фрейма.
Чтобы продемонстрировать свой подход к сборке, ученые выбрали металлические (золото) и полупроводниковые (селенид кадмия) наночастицы, а также бактериальный белок (стрептавидин) в качестве неорганических и органических нанообъектов для размещения внутри рамок ДНК. Во-первых, они подтвердили целостность рамок ДНК и образование вокселей материала путем визуализации с помощью электронных микроскопов в Центре электронной микроскопии CFN и Институте Ван Андела, который имеет набор инструментов, работающих при криогенных температурах для биологических образцов. Затем они исследовали трехмерные решетчатые структуры на линиях когерентного жесткого рентгеновского рассеяния и рассеяния сложных материалов Национального источника синхротронного света II (NSLS-II) — еще одного пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории. Профессор химического машиностроения Колумбийского инженерного дела Быховский Санат Кумар и его группа провели компьютерное моделирование, показавшее, что экспериментально наблюдаемые решетчатые структуры (на основе моделей рассеяния рентгеновских лучей) были наиболее термодинамически стабильными, которые могли сформировать вокселы материала.
«Эти вокселы материала позволяют нам начать использовать идеи, полученные из атомов (и молекул) и кристаллов, которые они образуют, и перенести эти обширные знания и базу данных в интересующие системы на наноуровне», — объяснил Кумар.
Затем студенты Ганга в Колумбийском университете продемонстрировали, как можно использовать сборочную платформу для организации двух разных типов материалов с химическими и оптическими функциями. В одном случае они объединили два фермента, создав трехмерные массивы с высокой плотностью упаковки. Хотя ферменты остались химически неизменными, они показали примерно четырехкратное увеличение ферментативной активности. Эти «нанореакторы» можно использовать для управления каскадными реакциями и производства химически активных материалов. Для демонстрации оптического материала они смешали квантовые точки двух разных цветов — крошечные нанокристаллы, которые используются для создания телевизионных дисплеев с высокой цветовой насыщенностью и яркостью. Изображения, полученные с помощью флуоресцентного микроскопа, показали, что сформированная решетка сохраняет чистоту цвета ниже дифракционного предела (длины волны) света; это свойство может позволить значительно улучшить разрешение в различных технологиях отображения и оптической связи.
«Нам необходимо переосмыслить, как могут формироваться материалы и как они функционируют», — сказал Ганг. «Редизайн материала может не потребоваться; простая упаковка существующих материалов по-новому может улучшить их свойства. Потенциально наша платформа может стать технологией, позволяющей «помимо производства 3D-печати» управлять материалами в гораздо меньших масштабах, с большим разнообразием материалов и разработанными составами. Использование того же подхода для формирования трехмерных решеток из желаемых нанообъектов из разных классов материалов, объединяя те, которые в противном случае считались бы несовместимыми, могло бы произвести революцию в нанопроизводстве».
Материалы предоставлены Министерством энергетики / Брукхейвенской национальной лабораторией. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Получайте последние новости науки с помощью бесплатных информационных бюллетеней ScienceDaily, обновляемых ежедневно и еженедельно. Или просматривайте ежечасно обновляемые ленты новостей в вашей программе чтения RSS:
Расскажите нам, что вы думаете о ScienceDaily — мы приветствуем как положительные, так и отрицательные комментарии. Есть проблемы с использованием сайта? Вопросы?
Время публикации: 04 июля 2022 г.