Från att designa nya biomaterial till nya fotoniska enheter, nya material som byggts genom en process som kallas bottom-up nanotillverkning, eller självmontering, öppnar vägar till ny teknik med egenskaper anpassade på nanoskala. Men för att helt frigöra potentialen hos dessa nya material måste forskare "se" in i deras små skapelser så att de kan kontrollera designen och tillverkningen för att möjliggöra materialets önskade egenskaper.

Detta har varit en komplex utmaning som forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory och Columbia University har övervunnit för första gången, genom att avbilda insidan av ett nytt material självmonterat av nanopartiklar med sju nanometers upplösning, cirka 1/ 100 000 av bredden på ett människohår. I en ny artikel publicerad den 7 april 2022 i Science , visar forskarna kraften i deras nya högupplösta röntgenteknik för att avslöja nanomaterialets inre struktur.

Teamet designade det nya nanomaterialet med hjälp av DNA som ett programmerbart konstruktionsmaterial, vilket gör det möjligt för dem att skapa nya konstruerade material för katalys, optik och extrema miljöer. Under skapandet av dessa material flyttas de olika byggstenarna gjorda av DNA och nanopartiklar på plats på egen hand baserat på en definierad "blåkopia" - kallad mall - designad av forskarna. Men för att avbilda och utnyttja dessa små strukturer med röntgenstrålar behövde de omvandla dem till oorganiska material som kunde motstå röntgenstrålar samtidigt som de ger användbar funktionalitet. För första gången kunde forskarna se detaljerna, inklusive defekterna i deras nyligen arrangerade nanomaterial.

"Medan vår DNA-baserade sammansättning av nanomaterial erbjuder en enorm nivå av kontroll för att finjustera de egenskaper vi önskar, bildar de inte perfekta strukturer som helt motsvarar ritningen. Således, utan detaljerad 3D-avbildning med en partikelupplösning, det är omöjligt att förstå hur man designar effektiva självmonterade system, hur man ställer in monteringsprocessen och i vilken grad ett materials prestanda påverkas av brister", säger motsvarande författare Oleg Gang, forskare vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN) och professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering.

Som en DOE Office of Science-användaranläggning erbjuder CFN ett brett utbud av verktyg för att skapa och undersöka nya nanomaterial. Det var i CFN:s labb och vid Columbia Engineering där Gang och hans team först byggde och studerade nya nanostrukturer. Genom att använda både DNA-baserad montering som ett nytt tillverkningsverktyg i nanoskala och exakt mall med oorganiska material som kan belägga DNA och nanopartiklar, kunde forskarna demonstrera en ny typ av komplex 3D-arkitektur.

"När jag gick med i forskargruppen för fem år sedan hade vi studerat ytan på våra sammansättningar riktigt bra, men ytan är bara huddjup. Om du inte kan gå längre kommer du aldrig att se att det finns ett blodsystem eller ben under. Eftersom monteringen inuti våra material driver deras prestanda, ville vi gå djupare för att ta reda på hur det fungerade", säger Aaron Noam Michelson, första författare till studien som var en Ph.D. student med Gang och är nu postdoc vid CFN.

Och djupare gick teamet och samarbetade med forskarna vid Hard X-ray Nanoprobe (HXN) beamline vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en annan DOE Office of Science-användaranläggning vid Brookhaven Lab. NSLS-II gör det möjligt för forskare att studera material med upplösning i nanoskala och utsökt känslighet genom att tillhandahålla ultraljus som sträcker sig från infrarött till hårda röntgenstrålar.

"På NSLS-II har vi många verktyg som kan användas för att lära dig mer om ett material beroende på vad du är intresserad av. Det som gjorde HXN intressant för Oleg och hans arbete var att du kan se de faktiska rumsliga relationerna mellan objekt inom struktur på nanoskala. Men vid den tidpunkten när vi först pratade om den här forskningen, var att "se in i" dessa små strukturer redan vid gränsen för vad strållinjen kunde göra", säger Hanfei Yan, också en motsvarande författare till studien och en strållinjeforskare vid HXN.

För att driva igenom denna utmaning diskuterade forskarna de olika hinder som de behövde övervinna. På CFN och Columbia var teamet tvunget att ta reda på hur de kunde bygga strukturerna med önskad organisation och hur de skulle omvandla dem till en oorganisk replika som tål kraftfulla röntgenstrålar, medan forskarna vid NSLS-II var tvungna att ställa in strållinje genom att förbättra upplösningen, datainsamling och många andra tekniska detaljer.

"Jag tror att det bästa sättet att beskriva våra framsteg är i termer av prestanda. När vi först försökte ta data på HXN tog det oss tre dagar och vi fick en del av en datamängd. Andra gången vi gjorde detta tog det oss två dagar, och vi fick det mesta av en hel datamängd, men vårt prov förstördes under processen. Vid tredje gången tog det lite över 24 timmar och vi fick en fullständig datamängd. Vart och ett av dessa steg var ungefär sex månader isär, sa Michelson.

Yan tillade:"Nu kan vi avsluta det på en enda dag. Tekniken är tillräckligt mogen för att vi även kan erbjuda den till andra användare som skulle vilja använda vår strållinje för att undersöka sitt prov. Att titta på prover på denna skala är intressant för områden som t.ex. som mikroelektronik och batteriforskning."

Teamet utnyttjade strållinjens förmågor på två sätt. De mätte inte bara faskontrasten för de röntgenstrålar som passerade genom proverna, utan de samlade också in röntgenfluorescensen - det emitterade ljuset - från provet. Genom att mäta faskontrasten kunde forskarna bättre skilja förgrunden från bakgrunden av deras prov.

"Att mäta data var bara halva striden; nu behövde vi översätta data till meningsfull information om ordning och ofullkomlighet hos självmonterade system. Vi ville förstå vilken typ av defekter som kan uppstå i dessa system och vad de har för ursprung. denna punkt var denna information endast tillgänglig genom beräkning. Nu kan vi verkligen se detta experimentellt, vilket är superspännande och bokstavligen ögonöppnande för den framtida utvecklingen av komplext designade nanomaterial, säger Gang.

Tillsammans utvecklade forskarna nya mjukvaruverktyg för att hjälpa till att reda ut den stora mängden data i bitar som kunde bearbetas och förstås. En stor utmaning var att kunna bekräfta den upplösning de uppnådde. Den iterativa processen som slutligen ledde till den banbrytande nya upplösningen sträckte sig över flera månader innan teamet hade verifierat upplösningen genom både standardanalys och maskininlärningsmetoder.

"Det tog hela min doktorsexamen att komma hit men jag känner mig personligen väldigt glad över att ha varit en del av detta samarbete. Jag kunde engagera mig i varje steg på vägen från att göra proverna till att köra strållinjen. Alla nya färdigheter Jag har lärt mig att den här resan kommer att vara användbar för allt som ligger framför mig, säger Michelson.

Även om laget har nått denna imponerande milstolpe är de långt ifrån klara. De har redan siktet inställt på nästa steg för att ytterligare tänja på gränserna för det möjliga.

"Nu när vi har gått igenom dataanalysprocessen planerar vi att göra den här delen enklare och snabbare för framtida projekt, speciellt när ytterligare strållinjeförbättringar gör att vi kan samla in data ännu snabbare. Analysen är för närvarande flaskhalsen när man gör högupplöst tomografi jobba på HXN," sa Yan.

Gang tillade:"Bortsett från att fortsätta att pressa strållinjens prestanda, planerar vi också att använda denna nya teknik för att dyka djupare in i förhållandet mellan defekter och egenskaper hos våra material. Vi planerar att designa mer komplexa nanomaterial med hjälp av DNA-självmontering som kan studeras med hjälp av HXN. På så sätt kan vi se hur väl strukturen är byggd internt och koppla detta till processen för monteringen. Vi utvecklar en ny bottom-up-tillverkningsplattform som vi inte skulle kunna avbilda utan denna nya förmåga."

Genom att förstå detta samband mellan materialets egenskaper och monteringsprocessen hoppas forskarna kunna låsa upp vägen till att finjustera dessa material för framtida tillämpningar i designade nanomaterial för batterier och katalys, för ljusmanipulation och för önskade mekaniska svar. + Utforska vidare

Bygga tuffa 3D-nanomaterial med DNA