Wetenskaplikes het 'n platform ontwikkel vir die samestelling van nanogrootte materiaalkomponente, of "nano-voorwerpe", van baie verskillende tipes - anorganies of organies - in gewenste 3D-strukture. Alhoewel selfsamestelling (SA) suksesvol gebruik is om nanomateriale van verskeie soorte te organiseer, was die proses uiters stelselspesifiek en genereer dit verskillende strukture gebaseer op die intrinsieke eienskappe van die materiale. Soos berig in 'n artikel wat vandag in Nature Materials gepubliseer is, kan hul nuwe DNS-programmeerbare nanofabrikasieplatform toegepas word om 'n verskeidenheid 3D-materiale op dieselfde voorgeskrewe maniere op die nanoskaal (miljardstes van 'n meter) te organiseer, waar unieke optiese, chemiese en ander eienskappe na vore kom.
“Een van die hoofredes waarom SA nie 'n tegniek van keuse vir praktiese toepassings is nie, is dat dieselfde SA-proses nie oor 'n wye reeks materiale toegepas kan word om identiese 3D-geordende skikkings van verskillende nanokomponente te skep nie,” het die ooreenstemmende outeur Oleg Gang, leier van die Sagte en Bio-Nanomateriale-groep by die Sentrum vir Funksionele Nanomateriale (CFN) – 'n Amerikaanse Departement van Energie (DOE) Kantoor van Wetenskap-gebruikersfasiliteit by die Brookhaven Nasionale Laboratorium – en 'n professor in Chemiese Ingenieurswese en Toegepaste Fisika en Materiaalwetenskap by Columbia Engineering, verduidelik. “Hier het ons die SA-proses van materiaaleienskappe ontkoppel deur rigiede polihedrale DNS-rame te ontwerp wat verskeie anorganiese of organiese nano-voorwerpe kan inkapsel, insluitend metale, halfgeleiers, en selfs proteïene en ensieme.”
Die wetenskaplikes het sintetiese DNS-rame in die vorm van 'n kubus, oktaëder en tetraëder ontwerp. Binne die rame is DNS-"arms" waaraan slegs nano-voorwerpe met die komplementêre DNS-volgorde kan bind. Hierdie materiële voxels – die integrasie van die DNS-raam en nano-voorwerp – is die boustene waaruit makroskaal 3D-strukture gemaak kan word. Die rame verbind met mekaar ongeag watter soort nano-voorwerp binne is (of nie) volgens die komplementêre volgordes waarmee hulle by hul hoekpunte gekodeer is. Afhangende van hul vorm, het rame 'n verskillende aantal hoekpunte en vorm dus heeltemal verskillende strukture. Enige nano-voorwerpe wat binne die rame gehuisves word, neem daardie spesifieke raamstruktuur aan.
Om hul samestellingsbenadering te demonstreer, het die wetenskaplikes metaal- (goud) en halfgeleidende (kadmiumselenied) nanopartikels en 'n bakteriese proteïen (streptavidien) gekies as die anorganiese en organiese nano-voorwerpe wat binne die DNS-rame geplaas moet word. Eerstens het hulle die integriteit van die DNS-rame en die vorming van materiaalvoxels bevestig deur beelding met elektronmikroskope by die CFN Elektronmikroskopiefasiliteit en die Van Andel Instituut, wat 'n reeks instrumente het wat by kriogeniese temperature vir biologiese monsters werk. Hulle het toe die 3D-roosterstrukture by die Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering-straallyne van die National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - nog 'n DOE Office of Science User Facility by Brookhaven Lab - ondersoek. Columbia Engineering Bykhovsky Professor in Chemiese Ingenieurswese Sanat Kumar en sy groep het berekeningsmodellering uitgevoer wat aan die lig gebring het dat die eksperimenteel waargenome roosterstrukture (gebaseer op die x-straalverstrooiingspatrone) die mees termodinamies stabiele strukture was wat die materiaalvoxels kon vorm.
“Hierdie materiële voxels stel ons in staat om idees te begin gebruik wat afgelei is van atome (en molekules) en die kristalle wat hulle vorm, en hierdie uitgebreide kennis en databasis oor te dra na stelsels van belang op die nanoskaal,” het Kumar verduidelik.
Gang se studente by Columbia het toe gedemonstreer hoe die samestellingsplatform gebruik kan word om die organisasie van twee verskillende soorte materiale met chemiese en optiese funksies aan te dryf. In een geval het hulle twee ensieme saamgestel en sodoende 3D-skikkings met 'n hoë pakdigtheid geskep. Alhoewel die ensieme chemies onveranderd gebly het, het hulle 'n ongeveer viervoudige toename in ensiematiese aktiwiteit getoon. Hierdie "nanoreaktore" kan gebruik word om kaskadereaksies te manipuleer en die vervaardiging van chemies aktiewe materiale moontlik te maak. Vir die demonstrasie van optiese materiaal het hulle twee verskillende kleure kwantumkolle gemeng - klein nanokristalle wat gebruik word om televisieskerms met hoë kleurversadiging en helderheid te maak. Beelde wat met 'n fluoresensiemikroskoop vasgelê is, het getoon dat die gevormde rooster kleursuiwerheid onder die diffraksielimiet (golflengte) van lig gehandhaaf het; hierdie eienskap kan beduidende resolusieverbetering in verskeie skerm- en optiese kommunikasietegnologieë moontlik maak.
“Ons moet heroorweeg hoe materiale gevorm kan word en hoe hulle funksioneer,” het Gang gesê. “Materiaalherontwerp is dalk nie nodig nie; om bloot bestaande materiale op nuwe maniere te verpak, kan hul eienskappe verbeter. Ons platform kan moontlik 'n bemagtigende tegnologie 'verder as 3D-drukvervaardiging' wees om materiale op baie kleiner skale en met groter materiaalverskeidenheid en ontwerpte samestellings te beheer. Deur dieselfde benadering te gebruik om 3D-roosters uit gewenste nano-voorwerpe van verskillende materiaalklasse te vorm, en dié wat andersins as onversoenbaar beskou sou word, te integreer, kan dit nano-vervaardiging 'n revolusionering teweegbring.”
Materiaal verskaf deur DOE/Brookhaven Nasionale Laboratorium. Let wel: Inhoud kan geredigeer word vir styl en lengte.
Kry die nuutste wetenskapnuus met ScienceDaily se gratis e-posnuusbriewe, wat daagliks en weekliks opgedateer word. Of bekyk uurliks opgedateerde nuusfeeds in jou RSS-leser:
Vertel ons wat jy van ScienceDaily dink — ons verwelkom beide positiewe en negatiewe kommentaar. Het jy enige probleme met die gebruik van die webwerf? Vrae?
Plasingstyd: 4 Julie 2022