Вчені розробили платформу для складання нанорозмірних матеріальних компонентів, або «нанооб'єктів», дуже різних типів — неорганічних або органічних — у бажані тривимірні структури. Хоча самоскладання (СА) успішно використовується для організації наноматеріалів кількох видів, цей процес є надзвичайно системно-специфічним, створюючи різні структури на основі власних властивостей матеріалів. Як повідомляється в статті, опублікованій сьогодні в Nature Materials, їхня нова платформа для нанофабрикації, що програмується ДНК, може бути застосована для організації різноманітних тривимірних матеріалів тими ж заданими способами в наномасштабі (мільярдниє частки метра), де виникають унікальні оптичні, хімічні та інші властивості.
«Одна з головних причин, чому самоаналіз (SA) не є найкращим методом для практичного застосування, полягає в тому, що той самий процес SA не може бути застосований до широкого спектру матеріалів для створення ідентичних 3D-впорядкованих масивів з різних нанокомпонентів», – пояснив автор-кореспондент Олег Ганг, керівник Групи м’яких та біо-наноматеріалів у Центрі функціональних наноматеріалів (CFN) – Користувацькому центрі Управління науки Міністерства енергетики США (DOE) у Брукхейвенській національній лабораторії – та професор хімічної інженерії та прикладної фізики та матеріалознавства в Колумбійському інженерному університеті. «Тут ми відокремили процес SA від властивостей матеріалу, розробивши жорсткі поліедричні каркаси ДНК, які можуть інкапсулювати різні неорганічні або органічні нанооб’єкти, включаючи метали, напівпровідники і навіть білки та ферменти».
Вчені створили синтетичні ДНК-каркаси у формі куба, октаедра та тетраедра. Усередині каркасів знаходяться ДНК-«руки», з якими можуть зв’язуватися лише нанооб’єкти з комплементарною послідовністю ДНК. Ці матеріальні воксели — інтеграція каркаса ДНК та нанооб’єкта — є будівельними блоками, з яких можна створювати макромасштабні 3D-структури. Каркаси з’єднуються один з одним незалежно від того, який тип нанооб’єкта знаходиться всередині (чи ні), відповідно до комплементарних послідовностей, якими вони закодовані у своїх вершинах. Залежно від їхньої форми, каркаси мають різну кількість вершин і, таким чином, утворюють абсолютно різні структури. Будь-які нанооб’єкти, розміщені всередині каркасів, набувають цієї специфічної структури каркаса.
Щоб продемонструвати свій підхід до складання, вчені обрали металеві (золото) та напівпровідникові (селенід кадмію) наночастинки, а також бактеріальний білок (стрептавідин) як неорганічні та органічні нанооб'єкти, які потрібно помістити всередину каркасів ДНК. Спочатку вони підтвердили цілісність каркасів ДНК та формування матеріальних вокселів шляхом візуалізації за допомогою електронних мікроскопів в Центрі електронної мікроскопії CFN та Інституті Ван Анделя, який має набір приладів, що працюють за кріогенних температур для біологічних зразків. Потім вони дослідили 3D-структури решіток на лініях променів когерентного жорсткого рентгенівського розсіювання та розсіювання складних матеріалів Національного джерела синхротронного світла II (NSLS-II) — ще одного центру користувача Управління науки Міністерства енергетики США в Брукхейвенській лабораторії. Професор хімічної інженерії імені Биховського з Колумбійського інженерного університету та його група виконали обчислювальне моделювання, показавши, що експериментально спостережувані структури решіток (на основі картин розсіювання рентгенівських променів) були найбільш термодинамічно стабільними, які могли утворювати матеріальні воксели.
«Ці матеріальні воксели дозволяють нам почати використовувати ідеї, отримані з атомів (і молекул) та кристалів, які вони утворюють, і переносити ці величезні знання та базу даних на системи, що цікавлять нас на нанорівні», – пояснив Кумар.
Студенти Ґанґа з Колумбійського університету потім продемонстрували, як платформу для складання можна використовувати для організації двох різних видів матеріалів з хімічними та оптичними функціями. В одному випадку вони спільно зібрали два ферменти, створивши тривимірні масиви з високою щільністю упаковки. Хоча ферменти залишилися хімічно незмінними, вони продемонстрували приблизно чотирикратне збільшення ферментативної активності. Ці «нанореактори» можна використовувати для маніпулювання каскадними реакціями та забезпечення можливості виготовлення хімічно активних матеріалів. Для демонстрації оптичних матеріалів вони змішали два різні кольори квантових точок — крихітних нанокристалів, які використовуються для виготовлення телевізійних дисплеїв з високою насиченістю та яскравістю кольорів. Зображення, отримані за допомогою флуоресцентного мікроскопа, показали, що утворена решітка зберігає чистоту кольору нижче дифракційної межі (довжини хвилі) світла; ця властивість може дозволити значне покращення роздільної здатності в різних технологіях відображення та оптичного зв'язку.
«Нам потрібно переосмислити, як можуть формуватися матеріали та як вони функціонують», — сказав Ґанґ. «Переробка матеріалів може бути не обов’язковою; просте пакування існуючих матеріалів новими способами може покращити їхні властивості. Потенційно, наша платформа може стати технологією, що виходить за межі 3D-друку, для контролю матеріалів у набагато менших масштабах та з більшою різноманітністю матеріалів та розробленими складами. Використання того ж підходу для формування 3D-ґраток з бажаних нанооб’єктів різних класів матеріалів, інтегруючи ті, які в іншому випадку вважалися б несумісними, може революціонізувати наноматеріали».
Матеріали надані Міністерством енергетики США/Брукхейвенською національною лабораторією. Примітка: Стиль та довжина контенту можуть бути відредаговані.
Отримуйте останні наукові новини за допомогою безкоштовних електронних розсилок ScienceDaily, які оновлюються щодня та щотижня. Або переглядайте стрічки новин, що оновлюються щогодини, у вашій RSS-читалці:
Поділіться своєю думкою про ScienceDaily — ми раді як позитивним, так і негативним коментарям. Маєте проблеми з використанням сайту? Запитання?
Час публікації: 04 липня 2022 р.