(Phys.org) - Nanodraden gemaakt van DNA (deoxyribonucleïnezuur) - een van de verschillende soorten moleculaire nanodraden met herhalende moleculaire eenheden - zijn precies dat:Geometrisch draadachtige op DNA gebaseerde nanostructuren die op verschillende manieren worden gedefinieerd als een 1 ~ 10 nm (10 ⁻⁹ m) diameter of een lengte-tot-diameter verhouding> 1000. Hoewel nanodraden kunnen worden gemaakt van verschillende organische en anorganische materialen, Het is aangetoond dat DNA-nanodraden een reeks waardevolle toepassingen bieden bij geprogrammeerde zelfassemblage ^{1, 2} van functionele materialen, waaronder metalen en halfgeleider nanodraden voor gebruik in elektronische apparaten, evenals biologische, medisch, en toepassingen voor genetische analyse ^{3, 4, 5} . Dat gezegd hebbende, De acceptatie van DNA-nanodraad is beperkt vanwege historische beperkingen in het vermogen om hun structurele parameters te controleren, met name, maat, geometrie en uitlijning. Onlangs, echter, wetenschappers van het Korea Institute of Science and Technology en Princeton University maakten gebruik van de capillaire krachten van water dat DNA-moleculen bevat om op grootte controleerbare rechte of gegolfde uitgelijnde DNA-nanodraden aan te tonen die spontaan werden gevormd door water dat gerimpelde kanalen van een samengeperste dunne huid op een zacht substraat binnendrong, die vervolgens een overgang van rimpel naar vouw veroorzaakte.

Universitair docent en hoofdauteur So Nagashima, Universitair docent Andrej Košmrlj, Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon Professor Howard A. Stone, en hoofdonderzoeker Myoung-Woon Moon bespraken het artikel dat zij en hun co-auteurs publiceerden in Proceedings van de National Academy of Sciences . "Ik denk dat het meest uitdagende aspect van het bedenken van onze methode voor het gebruik van een dunne huidsjabloon die op water reageert door de oppervlaktemorfologie ervan dynamisch te veranderen, was om de omstandigheden te vinden waar de overgang van rimpel naar vouw plaatsvindt, "Maan vertelt" Phys.org . "De kritische omstandigheden als functie van de uitgeoefende spanning, aanvankelijke rimpelgeometrieën, en dikte van de huidlaag bepaald door de duur van de zuurstofplasmabehandeling waren moeilijk te vinden." Moon voegt eraan toe dat de observatietechniek voor de dynamische overgang beperkt was tot alleen optische microscopen waarvan de hoogste optische resolutie tussen 100 en 1000 nm ligt in de breedte van nanodraden, dit komt door de dynamische overgang die plaatsvindt op submicronschaal.

Bij het induceren van een rimpel-naar-vouw overgang van het matrijsoppervlak door gebruik te maken van de capillaire krachten van water dat DNA-moleculen bevat, Steen wijst erop, de waarneming dat water de overgang van rimpel naar vouw verandert, is nieuw. "Zo ver we weten, de onze is de eerste studie die dit effect laat zien, zoals het demonstreren van een gebruik van dergelijke vouwen voor de uitlijning van DNA. Bovendien, beheersing van oppervlaktespanning of resulterende capillaire krachten en het gebied voor vouwvorming is relatief moeilijk - en door DNA-moleculen aan water toe te voegen, het lijkt erop dat de oppervlaktespanning is veranderd, dus de lengte van de vouwovergang was korter."

Sjabloonbereiding gebruikte een zuurstofplasmabehandeling van voorgerekt polydimethylsiloxaan (of PDMS, een polymere organosiliciumverbinding) substraten voor variërende duur. "In feite, "Maan legt uit, "het manipuleren van PDMS met voorrekking is een relatief goed ontwikkelde methode, evenals de zuurstofplasmabehandeling:beide zijn besproken in de literatuur. We kunnen de monsters maken met verschillende afmetingen van enkele millimeters tot enkele centimeters, die ook op een veel groter gebied kan worden gemaakt." Moon merkt op dat de onderzoekers ook de mechanische eigenschappen van polydimethylsiloxaan kunnen variëren - om het rekbaarder te maken, zacht of flexibel - door de verhouding van elastomeer en cross-linker voor PDMS-voorbereiding te veranderen.

Een belangrijk aspect van de studie was de bevestiging dat de nieuwe methode op betrouwbare wijze de grootte van de DNA-nanodraad manipuleert, geometrie, en uitlijning. "Door de voorwaarden voor rekspanning aan te passen, duur van de plasmabehandeling, en post-compressie van de uitgerekte PDMS, DNA-nanodraden kunnen een halve cilinder zijn, een perfecte cilinder, of gegolfde draadvorm, "Maan vertelt" Phys.org . "Door de rimpelgeometrieën te veranderen, zoals de amplitude - die wordt bepaald door de spanning - kan men de afstand tussen draden in het vouwkanaal regelen." Grotere afstanden tussen draden, hij gaat door, kan worden bereikt door de PDMS minder te comprimeren, terwijl het meer comprimeren van het substraat kleinere afstanden oplevert.

Om deze uitdagingen aan te gaan, de wetenschappers ontdekten een transformatie als gevolg van capillaire krachten die werken aan de rand van een waterdruppel die kan, met slechts 1% compressie, rimpels transformeren in plooien, die zich bij afwezigheid van een vloeistofdruppel alleen vormen bij zeer hoge (~ 30%) compressie. In aanvulling, Maan voegt toe, kleinere stoffen zoals biomoleculen of nanodeeltjes kunnen het waterkanaal volgen om uitgelijnde 1-dimensionale nanostructuren te vormen. "Kleiner is beter. Minder is meer. We hebben geconstateerd dat de overgang van kreuken naar vouwen gemakkelijker plaatsvindt wanneer de volgende factoren kleiner worden:compressieniveau, huiddikte, druppelvolume, grootte van het monsteroppervlak, en statische contacthoeken van druppels."

Op basis van hun bevindingen, de auteurs stelden dat hun aanpak zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om functionele materialen te fabriceren. "Onze belangrijkste bevinding is dat je rimpels kunt veranderen in gelokaliseerde plooien door simpelweg gebruik te maken van de capillaire krachten van water op gerimpelde oppervlakken onder een zeer kleine spanning van ongeveer 1% bij compressie, " Nagashima vertelt Phys.org . "Recente studies die in de literatuur zijn vermeld, hebben aangetoond dat dergelijke overgangen van rimpel naar vouw kunnen helpen bij het ontwikkelen van systemen die hun eigenschappen dynamisch veranderen in overeenstemming met de oppervlaktemorfologie. het induceren van de transitie in afwezigheid van water is in de praktijk moeilijk te realiseren omdat, in het algemeen, grote compressie moet worden toegepast op het huid-substraatsysteem, wat bredere toepassingen in de weg staat. Uit ons onderzoek blijkt dat zelfs 1% van de compressie, wat in ons geval het kritieke niveau is voor het creëren van rimpels, is groot genoeg om de overgang naar plooien plaatselijk te activeren wanneer er water aanwezig is." Nagashima merkt op dat hoewel het compressieniveau dat nodig is om de overgang te induceren, kan verschillen afhankelijk van het gebruikte huid-filmsysteem, in combinatie met water zou slechts een klein compressieniveau nodig zijn.

"Dit fenomeen kan worden beschouwd als een lithografie-vrije methode die de gemakkelijke fabricage van arrays van nanomaterialen mogelijk maakt, waar hun grootte, lengte, en periodiciteit kon robuust worden afgestemd, " vervolgt hij. "Bovendien, niet alleen water, maar ook andere vloeistoffen kunnen worden gebruikt om nanomaterialen te vervoeren en om de overgang van rimpel naar vouw te induceren."

Moon beschrijft verschillende voorbeelden van potentieel de novo fabricage- en analysetechnieken, inclusief lithografie op nanoschaal, nano-afdruk, groei door chemische dampafzetting, en chemische reactie. "Onze methode kan mogelijk worden gebruikt voor de fabricage van 1-dimensionale nanodraden of nano-arrays voor toepassing op DNA-analyse met zeer verdunde of kleine hoeveelheden DNA; DNA-sjablonen als nieuwe metalen of keramische nanostructuren; en DNA-behandelingsapparaten voor het genezen van gemodificeerd DNA. In toevoeging, men kan deze techniek toepassen om met eiwitten om te gaan, bloed, of nanodeeltjes op nanoschaal."

Košmrlj en Stone vertellen Phys.org dat een gebied van gepland onderzoek gericht is op niet-lineaire analyse en modellering voor een beter kwantitatief begrip van de door capillariteit geïnduceerde rimpel-naar-vouw-overgang. "Aangezien ons systeem is samengesteld uit het mechanische gedrag van de vouwovergang die wordt veroorzaakt door vloeibare oppervlaktespanning, de overgang van rimpel naar vouw die we hebben gevonden, wordt geassocieerd met grote vervormingen waar conventionele lineaire elasticiteitstheorie niet van toepassing is. Hoewel de basismechanismen kunnen worden verklaard binnen de lineaire theorie, kwantitatieve vergelijking met experimenten kan alleen worden bereikt door rekening te houden met geometrische en materiële niet-lineariteiten. We voeren daarom numerieke simulaties uit door vloeibare oppervlaktespanning en vaste vervorming te koppelen, evenals het uitvoeren van analyses met storingsreeksen, waar niet-lineariteiten van elastische structuren systematisch kunnen worden bestudeerd."

"Ik denk ook dat de komende uitdagingen zijn om te vinden hoe grotere gebieden voor de vorming van DNA-patronen kunnen worden bereikt, " zegt Moon. "In feite, onze laatste resultaten - verkregen nadat dit PNAS-artikel was geaccepteerd - laten een indrukwekkende vooruitgang zien voor de regio met een overgang van rimpel naar vouw in grotere gebieden, zoals het hele gebied onder een waterdruppel. Een ander te onderzoeken gebied, Maan gaat verder, betreft het feit dat biologische morfogenese van huid-substraatsystemen alomtegenwoordig is in organismen waar water een belangrijk bestanddeel is. "We proberen situaties te vinden waarin onze bevindingen van toepassing zijn. Actieve samenwerking met experts in het veld zou nuttig zijn."

De onderzoekers kunnen ook andere materialen dan PDMS onderzoeken. "Ja, andere polymeren kunnen werken als ze over de basisfactoren beschikken om de vouwovergang te regelen, dit zijn de dunheid van de nano-huid en zachte lichaamsmaterialen, en oppervlaktehydrofiliciteit om voldoende oppervlaktereactie met vloeistof te verzekeren, ’ merkt de maan op.

Andere mogelijke toekomstige onderzoeksinteresses en aanvullende innovaties die door de auteurs worden genoemd, zijn onder meer:

- theoretische analyse om de onderliggende fysica met betrekking tot de door water geïnduceerde oppervlaktevouwing op te helderen

- de onderliggende fysica benutten om een ​​robuuste en massaproductiemethode te ontwikkelen voor het induceren van de rimpel-naar-vouw-overgang

- morfologische veranderingen in de natuur vinden en bespreken waar water waarschijnlijk een sleutelfactor is

- pas de resultaten van het huidige onderzoek toe op DNA-analyse of DNA-drugs

- 2-D/3-D-sensoren, diagnostische hulpmiddelen, en medicijnafgiftesystemen

- sjablonen voor het vervaardigen van 1-dimensionale nanomaterialen

- methoden voor lokale patronen

"Ik geloof dat dit werk gunstig is voor de materiaalwetenschap voor nanodraadsjablonen, mechanica voor vloeistofkanalen, en biologie voor kwantitatieve analyse van DNA of andere biomoleculen, ’ besluit Maan.

© 2017 Fys.org