Forskare har utvecklat en plattform för att montera materialkomponenter i nanostorlek, eller "nano-objekt, " av mycket olika typer - oorganiska eller organiska - till önskade 3D-strukturer. Även om självmontering (SA) framgångsrikt har använts för att organisera nanomaterial av flera slag, processen har varit extremt systemspecifik, genererar olika strukturer baserat på materialens inneboende egenskaper. Som rapporterats i en artikel publicerad idag Naturmaterial , deras nya DNA-programmerbara nanotillverkningsplattform kan användas för att organisera en mängd olika 3D-material på samma föreskrivna sätt i nanoskala (miljarddelar av en meter), där unika optiska, kemisk, och andra fastigheter dyker upp.

"En av de främsta anledningarna till att SA inte är en valfri teknik för praktiska tillämpningar är att samma SA-process inte kan tillämpas i ett brett spektrum av material för att skapa identiska 3D-ordnade matriser från olika nanokomponenter, " förklarade motsvarande författare Oleg Gang, ledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) - ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory - och professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering. "Här, vi kopplade bort SA-processen från materialegenskaper genom att designa styva polyhedrala DNA-ramar som kan inkapsla olika oorganiska eller organiska nanoobjekt, inklusive metaller, halvledare, och till och med proteiner och enzymer. "

Forskarna konstruerade syntetiska DNA-ramar i form av en kub, oktaeder, och tetraeder. Inuti ramarna finns DNA-"armar" som endast nanoobjekt med den komplementära DNA-sekvensen kan binda till. Dessa materiella voxlar-integrationen av DNA-ramen och nano-objektet-är byggstenarna från vilka makroskaliga 3D-strukturer kan göras. Ramarna ansluter till varandra oavsett vilken typ av nanoobjekt som finns inuti (eller inte) enligt de komplementära sekvenser de är kodade med vid sina hörn. Beroende på deras form, ramar har olika antal hörn och bildar därmed helt olika strukturer. Alla nano-objekt som finns i ramarna tar den specifika ramstrukturen.

För att demonstrera deras monteringssätt, forskarna valde metalliska (guld) och halvledande (kadmium selenid) nanopartiklar och ett bakterieprotein (streptavidin) som de oorganiska och organiska nanoobjekten som ska placeras inuti DNA-ramarna. Först, de bekräftade integriteten hos DNA-ramarna och bildandet av materialvoxel genom avbildning med elektronmikroskop vid CFN Electron Microscopy Facility och Van Andel Institute, som har en uppsättning instrument som fungerar vid kryogena temperaturer för biologiska prover. De undersökte sedan 3D-gitterstrukturerna vid Coherent Hard X-ray Scattering och Complex Materials Scattering beamlines i National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en annan DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky professor i kemiteknik Sanat Kumar och hans grupp utförde beräkningsmodellering som avslöjade att de experimentellt observerade gitterstrukturerna (baserat på röntgenspridningsmönstren) var de mest termodynamiskt stabila som materialvoxlarna kunde bilda.

"Dessa materiella voxels tillåter oss att börja använda idéer som härrör från atomer (och molekyler) och kristallerna som de bildar, och överföra denna stora kunskap och databas till system av intresse på nanoskala, " förklarade Kumar.

Gangs studenter vid Columbia demonstrerade sedan hur monteringsplattformen kan användas för att driva organisationen av två olika typer av material med kemiska och optiska funktioner. I ett fall, de samlade två enzymer, skapa 3D-matriser med hög packningstäthet. Även om enzymerna förblev kemiskt oförändrade, de visade ungefär en fyrfaldig ökning av enzymaktiviteten. Dessa "nanoreaktorer" kan användas för att manipulera kaskadreaktioner och möjliggöra framställning av kemiskt aktiva material. För demonstrationen av optiskt material, de blandade två olika färger av kvantprickar - små nanokristaller som används för att göra tv -skärmar med hög färgmättnad och ljusstyrka. Bilder tagna med ett fluorescensmikroskop visade att det bildade gittret bibehöll färgrenheten under ljusets diffraktionsgräns (våglängd); den här egenskapen kan möjliggöra betydande upplösningsförbättringar i olika display- och optiska kommunikationstekniker.

"Vi måste tänka om hur material kan formas och hur de fungerar, "sa gänget." Materialdesign kanske inte är nödvändig; Att bara förpacka befintliga material på nya sätt kan förbättra deras egenskaper. Potentiellt, vår plattform kan vara en möjliggörande teknik "bortom 3D-tryckningstillverkning" för att styra material i mycket mindre skalor och med större materialvariation och designade kompositioner. Genom att använda samma tillvägagångssätt för att bilda 3D-gitter från önskade nanoobjekt av olika materialklasser, integrera de som annars skulle anses vara oförenliga, skulle kunna revolutionera nanotillverkningen."