Ученые разработали платформу для сборки наноразмерных материальных компонентов, 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 крайне системно-специфичным, создавая различные структуры на основе внутренних свойств материалов. Как сообщается в статье, опубликованной сегодня в Nature Materials, их новая ДНК-программируемая наноплатформа для производства может применяться для организации различных трехмерных материалов теми же предписанными способами в наномасштабе (миллиардные доли метра), где возникают уникальные оптические, химические и другие свойства.
«Одной из основных причин, по которой SA не является методом выбора для практических приложений, является то, что один и тот же процесс SA не может быть применен к широкому спектру материалов для создания идентичных 3-D упорядоченных массивов из разных нанокомпонентов», — пояснил автор-корреспондент Олег Ганг, руководитель группы мягких и бионаноматериалов в Центре функциональных наноматериалов (CFN) — пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории — и профессор химической инженерии и прикладной физики и материаловедения в Колумбийском инженерном университете. «Здесь мы отделили процесс SA от свойств материалов, спроектировав жесткие полиэдрические каркасы ДНК, которые могут инкапсулировать различные неорганические или органические нанообъекты, включая металлы, полупроводники и даже белки и ферменты».
Ученые спроектировали синтетические ДНК-рамки 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 ДНК-рамки и нанообъекта — являются строительными блоками, из которых могут быть созданы макромасштабные трехмерные структуры. Рамки соединяются друг с другом независимо от того, какой нанообъект находится внутри (или нет), в соответствии с комплементарными последовательностями, которые они кодируют в своих вершинах. В зависимости от своей формы рамки имеют разное количество вершин и, таким образом, образуют совершенно разные структуры. Любые нанообъекты, размещенные внутри рамок, принимают эту конкретную структуру рамки.
Чтобы продемонстрировать свой подход к сборке, ученые выбрали металлические (золото) и полупроводниковые (селенид кадмия) наночастицы и бактериальный белок (стрептавидин) в качестве неорганических и органических нанообъектов для размещения внутри ДНК-рамок. Сначала они подтвердили целостность ДНК-рамок и образование материальных вокселей с помощью визуализации с помощью электронных микроскопов в CFN Electron Microscopy Facility и Van Andel Institute, который имеет набор инструментов, работающих при криогенных температурах для биологических образцов. Затем они исследовали трехмерные решетчатые структуры на каналах Coherent Hard X-ray Scattering и Complex Materials Scattering в National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) — еще одном пользовательском центре DOE Office of Science в Brookhaven Lab. Профессор химического машиностроения в Колумбийском инженерном университете Быховского Санат Кумар и его группа провели компьютерное моделирование, показавшее, что экспериментально наблюдаемые решетчатые структуры (основанные на моделях рассеяния рентгеновских лучей) являются наиболее термодинамически стабильными, которые могут образовывать материальные воксели.
«Эти материальные воксели позволяют нам начать использовать идеи, полученные из атомов (и молекул) и кристаллов, которые они образуют, и переносить эти обширные знания и базу данных в интересующие нас системы в наномасштабе», — пояснил Кумар.
Затем студенты Ганга в Колумбийском университете продемонстрировали, как сборочная платформа может использоваться для управления организацией двух различных видов материалов с химическими и оптическими функциями. В одном случае они совместно собрали два фермента, создав трехмерные массивы с высокой плотностью упаковки. Хотя ферменты остались химически неизменными, они показали примерно четырехкратное увеличение ферментативной активности. Эти «нанореакторы» можно было использовать для управления каскадными реакциями и создания возможности изготовления химически активных материалов. Для демонстрации оптического материала они смешали два разных цвета квантовых точек — крошечных нанокристаллов, которые используются для создания телевизионных дисплеев с высокой цветовой насыщенностью и яркостью. Изображения, полученные с помощью флуоресцентного микроскопа, показали, что сформированная решетка сохраняла чистоту цвета ниже дифракционного предела (длины волны) света; это свойство может позволить значительно улучшить разрешение в различных технологиях отображения и оптической связи.
«Нам нужно переосмыслить, как могут формироваться материалы и как они функционируют», — сказал Ганг. «Перепроектирование материалов может не потребоваться; простая упаковка существующих материалов новыми способами может улучшить их свойства. Потенциально наша платформа может стать технологией, позволяющей «выходить за рамки производства 3D-печати» для управления материалами в гораздо меньших масштабах и с большим разнообразием материалов и разработанными композициями. Использование того же подхода для формирования 3D-решеток из желаемых нанообъектов разных классов материалов, интегрируя те, которые в противном случае считались бы несовместимыми, может произвести революцию в нанопроизводстве».
Материалы предоставлены DOE/Brookhaven National Laboratory. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.
Получайте последние новости науки с помощью бесплатных электронных бюллетеней ScienceDaily, обновляемых ежедневно и еженедельно. Или просматривайте почасовые новостные ленты в вашем RSS-ридере:
Расскажите нам, что вы думаете о ScienceDaily — мы приветствуем как положительные, так и отрицательные комментарии. Возникли проблемы с использованием сайта? Вопросы?
Время публикации: 04-07-2022