Vísindamenn hafa þróað vettvang til að setja saman nanóstóra efnisþætti, eða „nanóhluti“, af mjög mismunandi gerðum — ólífrænum eða lífrænum — í æskilega þrívíddarbyggingu. Þó að sjálfsamsetning (SA) hafi verið notuð með góðum árangri til að skipuleggja nanóefni af ýmsum gerðum, hefur ferlið verið afar kerfisbundið og búið til mismunandi byggingar byggðar á eðlislægum eiginleikum efnanna. Eins og greint var frá í grein sem birt var í dag í Nature Materials, er hægt að nota nýja DNA-forritanlega nanósmíðavettvang þeirra til að skipuleggja fjölbreytt þrívíddarefni á sömu forskriftaraðferðum á nanókvarða (milljarðahluta úr metra), þar sem einstakir sjónrænir, efnafræðilegir og aðrir eiginleikar koma fram.
„Ein helsta ástæðan fyrir því að SA er ekki kjörin tækni í hagnýtum tilgangi er sú að sama SA-ferlið er ekki hægt að beita á fjölbreytt úrval efna til að búa til eins þrívíddar raðaðar fylki úr mismunandi nanóhlutum,“ útskýrði Oleg Gang, samsvarandi höfundur, leiðtogi mjúkra og lífrænna nanóefnahópsins við Center for Functional Nanomaterials (CFN) — notendamiðstöð bandaríska orkumálaráðuneytisins (DOE) í Brookhaven National Laboratory — og prófessor í efnaverkfræði og hagnýtri eðlisfræði og efnisfræði við Columbia Engineering. „Hér losuðum við SA-ferlið frá efniseiginleikum með því að hanna stífa fjölhyrningslaga DNA-ramma sem geta innlimað ýmsa ólífræna eða lífræna nanóhluti, þar á meðal málma, hálfleiðara og jafnvel prótein og ensím.“
Vísindamennirnir smíðuðu tilbúna DNA-ramma í laginu eins og teningur, áttaflötungur og fjórflötungur. Inni í rammunum eru DNA-„armar“ sem aðeins nanóhlutir með viðbótar DNA-röð geta bundist við. Þessir efnislegu voxlar – samþætting DNA-rammans og nanóhlutarins – eru byggingareiningarnar sem hægt er að búa til þrívíddarbyggingar á stórum skala. Rammarnir tengjast hver öðrum óháð því hvers konar nanóhlutur er inni í þeim (eða ekki) samkvæmt viðbótarröðunum sem þeir eru kóðaðir með í hornpunktum sínum. Rammarnir hafa mismunandi fjölda hornpunkta, allt eftir lögun þeirra, og mynda þannig gjörólíkar byggingar. Allir nanóhlutir sem eru hýstir innan rammanna taka á sig þessa tilteknu rammabyggingu.
Til að sýna fram á samsetningaraðferð sína völdu vísindamennirnir málm- (gull) og hálfleiðandi (kadmíumseleníð) nanóagnir og bakteríuprótein (streptavíðín) sem ólífræn og lífræn nanóhluti sem átti að setja inni í DNA-rammana. Fyrst staðfestu þeir heilleika DNA-rammanna og myndun efnisvoxla með myndgreiningu með rafeindasmásjá í CFN rafeindasmásjárstöðinni og Van Andel-stofnuninni, sem býr yfir safni tækja sem starfa við lágt hitastig fyrir líffræðileg sýni. Þeir könnuðu síðan þrívíddar grindarbyggingarnar í Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering geislalínum National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - annarri notendaaðstöðu DOE Office of Science í Brookhaven Lab. Sanat Kumar, prófessor í efnaverkfræði við Columbia Engineering, og hópur hans framkvæmdu tölvulíkön sem leiddu í ljós að grindarbyggingarnar sem mældar voru með tilraunum (byggt á röntgengeisladreifingarmynstrum) voru þær varmafræðilega stöðugustu sem efnisvoxlarnir gátu myndað.
„Þessir efnislegu voxlar gera okkur kleift að byrja að nota hugmyndir sem eru upprunnar úr atómum (og sameindum) og kristöllunum sem þau mynda, og flytja þessa miklu þekkingu og gagnagrunn yfir í kerfi sem við leggjum áherslu á á nanóskala,“ útskýrði Kumar.
Nemendur Gang við Columbia háskólann sýndu síðan fram á hvernig hægt væri að nota samsetningarvettvanginn til að knýja áfram skipulagningu tveggja mismunandi gerða efna með efna- og sjónrænum virkni. Í einu tilviki settu þeir saman tvö ensím og bjuggu til þrívíddar fylki með mikilli pakkningarþéttleika. Þótt ensímin héldust efnafræðilega óbreytt sýndu þau um fjórfalda aukningu á ensímvirkni. Þessa „nanóviðbrögð“ gæti verið hægt að nota til að stjórna kaskadviðbrögðum og gera kleift að framleiða efnafræðilega virka efna. Fyrir sýnikennslu á sjónrænu efni blönduðu þeir saman tveimur mismunandi litum af skammtapunktum - örsmáum nanókristöllum sem eru notaðir til að búa til sjónvarpsskjái með mikilli litamettun og birtu. Myndir teknar með flúrljómunarsmásjá sýndu að myndað grindverk hélt lithreinleika undir ljósbrotsmörkum (bylgjulengd); þessi eiginleiki gæti gert kleift að bæta upplausn verulega í ýmsum skjá- og sjónrænum samskiptatækni.
„Við þurfum að endurhugsa hvernig efni geta myndast og hvernig þau virka,“ sagði Gang. „Endurhönnun efnis er hugsanlega ekki nauðsynleg; einfaldlega að pakka núverandi efnum á nýjan hátt gæti aukið eiginleika þeirra. Hugsanlega gæti vettvangur okkar verið tækni sem gerir kleift að stjórna efnum „umfram framleiðslu á þrívíddarprentun“ í mun minni mælikvarða og með meiri efnisfjölbreytni og hönnuðum samsetningum. Að nota sömu aðferð til að mynda þrívíddargrindur úr æskilegum nanóhlutum af mismunandi efnisflokkum, og samþætta þau sem annars yrðu talin ósamhæf, gæti gjörbylta nanóframleiðslu.“
Efni frá DOE/Brookhaven National Laboratory. Athugið: Efni kann að vera breytt hvað varðar stíl og lengd.
Fáðu nýjustu vísindafréttir með ókeypis fréttabréfum ScienceDaily í tölvupósti, uppfærð daglega og vikulega. Eða skoðaðu fréttaveitur sem eru uppfærðar á klukkustundar fresti í RSS-lesaranum þínum:
Láttu okkur vita hvað þér finnst um ScienceDaily — við tökum vel á móti bæði jákvæðum og neikvæðum athugasemdum. Ertu með einhver vandamál með að nota síðuna? Spurningar?
Birtingartími: 4. júlí 2022