(Phys.org) — Nanotrådar framställda av DNA (deoxiribonukleinsyra) — en av flera typer av molekylära nanotrådar som innehåller upprepade molekylära enheter — är exakt det:Geometriskt trådliknande DNA-baserade nanostrukturer definierade på olika sätt som att ha en 1~10 nm (10) ⁻⁹ m) diameter eller ett förhållande mellan längd och diameter> 1000. Medan nanotrådar kan tillverkas av flera organiska och oorganiska material, DNA-nanotrådar har visat sig ge en rad värdefulla tillämpningar för programmerad självmontering ^{1, 2} av funktionella material – inklusive metalliska och halvledar nanotrådar för användning i elektroniska enheter – såväl som biologiska, medicinsk, och tillämpningar för genetisk analys ^{3, 4, 5} . Med det sagt, Adoption av DNA-nanowire har begränsats på grund av historiska begränsningar i förmågan att kontrollera sina strukturella parametrar – specifikt, storlek, geometri och inriktning. Nyligen, dock, forskare vid Korea Institute of Science and Technology och Princeton University utnyttjade kapillärkrafterna hos vatten som innehåller DNA-molekyler för att demonstrera storlekskontrollerbara raka eller vågformade DNA-nanotrådar som spontant bildades av vatten som kom in i skrynkliga kanaler i en komprimerad tunn hud på ett mjukt underlag, som därefter framkallade en övergång mellan rynkor och veck.

Biträdande professor och huvudförfattare So Nagashima, Docent Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor Howard A. Stone, och huvudforskaren Myoung-Woon Moon diskuterade artikeln de och deras medförfattare publicerade i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Jag tror att den mest utmanande aspekten av att ta fram vår metod för att använda en tunn hudmall som reagerar på vatten genom att dynamiskt ändra dess ytmorfologi var att hitta tillstånden där övergången från rynka till veck inträffar, " berättar Moon Phys.org . "De kritiska förhållandena som en funktion av den applicerade töjningen, initiala rynkgeometrier, och tjockleken på hudlagret bestämt av syreplasmabehandlingstiden var svårt att hitta. "Moon tillägger att observationstekniken för den dynamiska övergången var begränsad till endast optiska mikroskop vars högsta optiska upplösning faller mellan 100 till 1000 nm i nanotrådarnas bredd, detta beror på den dynamiska övergången som äger rum på submikronskalan.

När man inducerar en mallyta rynk-till-vik-övergång genom att utnyttja kapillärkrafterna i vatten som innehåller DNA-molekyler, Stone påpekar, observationen att vatten förändrar övergången från rynka till veck är ny. "Så vitt vi vet, vår är den första studien som visar denna effekt, vilket visar en användning av sådana veck för inriktning av DNA. Dessutom, kontroll av ytspänning eller resulterande kapillärkrafter och området för veckbildning är relativt svårt - och genom att tillsätta DNA -molekyler till vatten, det verkar som om ytspänningen har ändrats, så vikningslängden var kortare. "

Mallberedning använde en syrgasplasmabehandling av försträckt polydimetylsiloxan (eller PDMS, en polymer kiselorganisk förening) substrat under varierande varaktighet. "Faktiskt, " Moon förklarar, "manipulationen av PDMS med försträckningsstam är en relativt välutvecklad metod liksom syreplasmabehandlingen:båda har diskuterats i litteraturen. Vi kan göra proverna med olika storlekar på några millimeter till några centimeter, som också kan göras på mycket större yta." Moon noterar att forskarna också kan variera polydimetylsiloxans mekaniska egenskaper - för att göra den mer töjbar, mjuk eller flexibel – genom att ändra förhållandet mellan elastomer och tvärbindare för PDMS-beredning.

En viktig aspekt av studien var att bekräfta att den nya metoden manipulerar på ett tillförlitligt sätt DNA -nanotrådsstorlek, geometri, och inriktning. "Genom att justera förutsättningarna för stretching belastning, plasmabehandlingens varaktighet, och efterkompression av sträckt PDMS, DNA nanotrådar kan vara en halv cylinder, en perfekt cylinder, eller vågformad tråd, "Berättar Moon Phys.org . "Genom att ändra rynkornas geometrier som amplituden - som styrs av töjningen - kan man styra avståndet mellan trådar i vikkanalen." Större avstånd mellan ledningarna, han fortsätter, kan åstadkommas genom att komprimera PDMS mindre, medan komprimering av substratet mer ger mindre avstånd.

För att möta dessa utmaningar, forskarna upptäckte en transformation som är ett resultat av kapillärkrafter som verkar vid kanten av en vattendroppe som kan, med endast 1% komprimering, förvandla rynkor till veck, som i frånvaro av en vätskedroppe endast bildas vid mycket hög (~30%) kompression. Dessutom, Moon tillägger, mindre ämnen som biomolekyler eller nanopartiklar kan följa vattenkanalen för att bilda likriktade 1-dimensionella nanostrukturer. "Mindre är bättre. Mindre är mer. Vi har funnit att rynk-till-veck-övergången sker lättare när följande faktorer blir mindre:kompressionsnivå, hudtjocklek, droppvolym, storleken på provytan, och statiska kontaktvinklar för droppar."

Baserat på deras resultat, författarna uppgav att deras tillvägagångssätt kan leda till nya sätt att tillverka funktionella material. "Vårt viktigaste fynd är att man kan förändra rynkor till lokala veck genom att helt enkelt utnyttja vattens kapillärkrafter på skrynkliga ytor under mycket liten belastning på cirka 1% i kompression, " berättar Nagashima Phys.org . "Närare studier rapporterade i litteraturen har visat att sådana rynka-till-veck-övergångar kan hjälpa till att utveckla system som dynamiskt ändrar sina egenskaper i enlighet med ytmorfologin. att framkalla övergången i frånvaro av vatten är svårt att uppnå i praktiken eftersom, i allmänhet, stor kompression måste appliceras på hudsubstratsystemet, vilket hindrar bredare tillämpningar. Vår studie visar att till och med 1 % av kompressionen, vilket är den kritiska nivån för att skapa rynkor i vårt fall, är tillräckligt stor för att utlösa övergången till veck lokalt när vatten är närvarande." Nagashima noterar att även om kompressionsnivån som krävs för att inducera övergången kan skilja sig beroende på vilket hudfilmsystem som används, endast en liten kompressionsnivå skulle vara nödvändig i kombination med vatten.

"Detta fenomen kan betraktas som en litografifri metod som möjliggör enkel tillverkning av arrayer av nanomaterial, var deras storlek, längd, och periodicitet skulle kunna ställas in på ett robust sätt, " fortsätter han. "Dessutom, inte bara vatten utan andra vätskor kunde användas för att bära nanomaterial och för att inducera övergången från rynka till veck."

Moon beskriver flera exempel på potential de novo tillverknings- och analystekniker, inklusive nanoskala litografi, nanoavtryck, tillväxt genom kemisk ångavsättning, och kemisk reaktion. "Vår metod kan potentiellt användas för tillverkning av 1-dimensionella nanotrådar eller nanoarrayer för tillämpning på DNA-analys med mycket utspädda eller små mängder DNA; DNA-mallar som nya metall- eller keramiska nanostrukturer; och DNA-behandlingsanordningar för att läka modifierat DNA. I tillägg, man kan anta denna teknik för att hantera protein, blod, eller nanopartiklar i nanoskala."

Košmrlj och Stone berättar Phys.org att ett område av planerad forskning är fokuserat på icke-linjär analys och modellering för förbättrad kvantitativ förståelse av den kapillärinducerade övergången från rynka till veck. "Eftersom vårt system är sammansatt av det mekaniska beteendet hos veckövergången som utlöses av vätskeytspänning, övergången från rynka till veck som vi har funnit är förknippad med stora deformationer där konventionell linjär elasticitetsteori inte gäller. Även om de grundläggande mekanismerna kan förklaras inom den linjära teorin, kvantitativ jämförelse med experiment kan endast uppnås genom att ta hänsyn till geometriska och materiella olinjäriteter. Vi utför därför numeriska simuleringar genom att koppla vätskeytspänning och fast deformation, samt utföra analyser med störningsserier, där olinjäriteter hos elastiska strukturer kan studeras systematiskt."

"Jag tror också att utmaningarna framöver är att hitta hur man kan uppnå större områden för DNA-mönsterbildning, " säger Moon. "Faktiskt, våra senaste resultat – erhållna efter att denna PNAS-artikel godkändes – visar några imponerande framsteg för regionen med övergång från rynka till veck i större områden, såsom hela området under en vattendroppe. Ett annat område som ska studeras, Månen fortsätter, rör det faktum att biologisk morfogenes av hud -substratsystem är allestädes närvarande i organismer där vatten är en viktig beståndsdel. "Vi försöker hitta situationer där våra resultat är tillämpliga. Aktivt samarbete med experter på området skulle vara till hjälp."

Forskarna kan också undersöka annat material än PDMS. "Ja. andra polymerer kan fungera om de har de grundläggande faktorerna för att styra veckövergången, dessa är tunnare av nanohud och mjuka kroppsmaterial, och ythydrofilicitet för att säkerställa tillräcklig ytreaktion med vätska, "Månen noterar.

Andra möjliga framtida forskningsintressen och ytterligare innovationer som nämns av författarna inkluderar:

- teoretisk analys för att belysa den underliggande fysiken relaterad till den vatteninducerade ytvikningen

- utnyttja den underliggande fysiken för att utveckla en robust och masstillverkningsmetod för att inducera övergången från rynka till veck

- hitta och diskutera morfologiska förändringar i naturen där vatten sannolikt är en nyckelfaktor

- tillämpa den aktuella studiens resultat på DNA-analys eller DNA-läkemedel

-2-D/3-D sensorer, diagnos verktyg, och läkemedelsfrisättningssystem

- mallar för tillverkning av 1-dimensionella nanomaterial

- metoder för lokal mönstring

"Jag tror att detta arbete är till nytta för materialvetenskap för nanotrådsmallar, mekanik för vätskekanaler, och biologi för kvantitativ analys av DNA eller andra biomolekyler, " avslutar Moon.

© 2017 Phys.org