Als je een doos mee naar huis neemt van de meubelzaak, je verwacht de schroeven niet, latten, en andere stukken om op magische wijze samen te komen in een bed of tafel. Toch komt deze zelfassemblage elke dag voor in de natuur. Niets vertelt atomen om met elkaar te verbinden; niets vertelt DNA hoe het zich moet vormen. Levende materialen bevatten de instructies en het vermogen om een ​​groter geheel te worden.

"Zelfassemblage is het universele proces waarbij zeer complexe structuren in de natuur worden samengesteld. Ze zijn dynamisch, ze zijn multifunctioneel, ze zijn aanpasbaar, " zei Nick Kotov, een onderzoeker van de Universiteit van Michigan.

Door zelfassemblage te ontgrendelen, kunnen we materialen maken die van nature niet bestaan ​​en die we momenteel niet zelf kunnen maken.

Met behulp van zelfmontage, wetenschappers zouden aangepaste materialen kunnen maken die zowel veelzijdig zijn als biologische systemen en taai zoals industriële systemen. Deze materialen zouden kunnen worden gebruikt in betere waterzuiveraars, efficiëntere zonnecellen, snellere katalysatoren die de productie verbeteren, en elektronica van de volgende generatie. Het gebruik van zelfassemblage in de productie kan ook leiden tot goedkopere en efficiëntere processen.

"We willen synthetische materialen maken die wedijveren met wat we in de natuur zien, " zei Ron Zuckermann, een onderzoeker bij de Molecular Foundry, een Department of Energy (DOE) Office of Science gebruikersfaciliteit. "Biologische systemen zijn erg gevoelig en kwetsbaar. We willen robuuste materialen van industriële kwaliteit maken die dezelfde dingen kunnen [die zij] kunnen doen."

Maar wetenschappers kunnen geen dingen maken die het beste van zowel biologische als synthetische eigenschappen combineren uit zomaar een stof. Nanodeeltjes zijn waarschijnlijk de sleutel. Wanneer wetenschappers deze kleine deeltjes samenvoegen tot platen of buizen, het eindproduct is vaak maar één atoom groot. Door hun grootte, nanodeeltjes werken anders dan grote hoeveelheden van hetzelfde materiaal. Bijvoorbeeld, een stuk goud verstrooit het licht niet zoals een diamant dat doet. Maar gouden nanodeeltjes verstrooien licht heel goed, waardoor ze bruikbaar zijn in elektronenmicroscopen. In tegenstelling tot gewone materialen, wetenschappers kunnen de kenmerken van nanodeeltjes controleren door hun grootte en vorm te veranderen.

Direct, industrie kan maar één type nanodeeltje tegelijk gebruiken. Dat zie je in zonnebrandcrème en stoffen die nanodeeltjes gebruiken. Echter, om aangepaste materialen te bouwen, wetenschappers moeten meerdere soorten nanodeeltjes met elkaar laten interageren. Momenteel, de enige manier om dit te doen is om deze materialen deeltje-voor-deeltje te construeren. Dit is een zeer tijdrovend proces.

Om de potentiële toepassingen van nanodeeltjes uit te breiden, het Department of Energy's Office of Science ondersteunt onderzoek om zelfassemblage te benutten. Omdat nanodeeltjes van metalen of halfgeleiders zichzelf niet op dezelfde manier assembleren als levende systemen, wetenschappers onderzoeken hun verschillen en overeenkomsten.

Spontane constructie

Sommige materialen, wetenschappers vonden, zal zichzelf in elkaar zetten als u ze samen in een vloeibare oplossing plaatst. Ze klikken als bij toverslag in elkaar. Maar het is aan onderzoekers om erachter te komen welke materialen en oplossingen ze moeten mengen om de vormen en kenmerken te geven die ze nodig hebben.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) van DOE ontdekten een familie van synthetische polymeren die holle nanobuisjes vormen als je ze in water legt. Nanobuisjes kunnen katalysatoren verbeteren, andere nanotechnologie vervoeren, en antibiotica door het lichaam te verplaatsen. Deze ontdekking zou ook kunnen leiden tot het maken van nanostructuren die het enorme aantal functies vervullen dat eiwitten doen, maar zijn steviger en gaan langer mee dan eiwitten.

"Ik ben erg enthousiast over het vermogen om proteïne-nabootsende materialen te maken, ' zei Zuckermann.

Deze nanobuisjes hebben twee grote voordelen ten opzichte van de vorige. Wetenschappers konden ze manipuleren om een ​​consistente lengte en diameter te hebben. Dit is essentieel voor het bouwen van grotere constructies met meer praktische toepassingen. De holle buizen zijn ook zo gevormd dat ze minder snel instorten tot een stevige cilinder.

Een soortgelijke poging aan de Universiteit van Michigan vond een vorm van cadmiumsulfide, die wordt gebruikt om zonnepanelen te maken, dat zichzelf assembleert tot schelpen in water dat matig basisch is. Levende systemen gebruiken nanoschillen voor essentiële functies, zoals het regelen van de locatie van chemische reacties. De synthetische schelpen, die ongeveer de helft van de diameter van een virus zijn, gebruikt kunnen worden bij gentherapie. De onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben de schelpen gemodelleerd in de gebruikersfaciliteit van het National Energy Research Scientific Computing Center van het DOE Office of Science voordat ze ze in het laboratorium maakten.

DNA en kleine diamanten:de kleinste denkbare gidsen

Helaas, spontane zelfassemblage is sterk afhankelijk van de eigenschappen van de deeltjes. Gebruik verschillende deeltjes, en zelfassemblage zal ofwel verschillende structuren vormen of helemaal niet optreden.

Maar onderzoekers onderzoeken een andere aanpak die werkt, ongeacht het type deeltje dat ze gebruiken. Met deze methode, wetenschappers hechten een materiaal dat zichzelf wil assembleren aan een ander nanomateriaal dat dat niet doet. De materialen die je zelf in elkaar wilt zetten, gedragen zich als klittenband die wordt gebruikt om foto's op te hangen. Normaal gesproken, de foto's en de muur zouden niet aan elkaar plakken. Maar door op elke strip een klittenband aan te brengen en erop te duwen, ze sluiten op hun plaats. Met deze methode, wetenschappers konden elk type nanodeeltjes met elkaar verbinden en dat in welke vorm dan ook.

DNA is een van de meest veelbelovende vormen van dit nano-klittenband. Wetenschappers van het Centrum voor Functionele Nanomaterialen (CFN), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit in Brookhaven National Laboratory, onderzoeken deze methode.

"Met behulp van DNA, we kunnen deeltjes instrueren hoe ze met elkaar moeten verbinden, " zei Oleg Gang, een CFN-onderzoeker en professor aan de Columbia University. Wanneer wetenschappers synthetisch DNA aan nanodeeltjes hechten, de DNA-strengen paren op dezelfde manier als in elk levend wezen, de nanodeeltjes mee te nemen.

"Het is een 'slim' hulpmiddel, " zei Fang Lu, een CFN-onderzoeker. "We kunnen ontwerpen wat voor soort hechting aantrekkelijk is, wat voor soort binding is weerzinwekkend."

In een onderzoek uit 2015 wetenschappers gebruikten het DNA om verschillende soorten nanodeeltjes met elkaar te verbinden. Terwijl bollen normaal alleen aan bollen zouden hechten, door DNA te gebruiken, konden ze ook verbinding maken met blokken.

Daarna, onderzoekers gingen verder met het maken van 3D-frames uit het DNA. Dit onderzoek bracht wat ze hadden geleerd over het met elkaar verbinden van verschillende vormen naar een hoger niveau. Eerst, de wetenschappers plaatsten een nanodeeltje met een paar enkelstrengs DNA eraan in elke hoek van een synthetisch DNA-frame. Deze strengen verbonden de deeltjes, het samenbrengen van de deeltjes en frames om driedimensionale objecten te vormen. Door frames met verschillende vormen te verbinden – kubussen, octaëders, en tetraëders - wetenschappers kunnen verschillende 3D-architecturen vormen. Deze methode zou kunnen leiden tot materialen die de industrie zou kunnen gebruiken voor het manipuleren van licht, waardoor chemische reacties sneller verlopen, en het beïnvloeden van biologische processen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers gebruiken deze frames om aangepaste 3D-nanovormen te bouwen. Tot dusver, ze hebben zigzaglijnen kunnen ontwerpen, stok cijfers, en andere ontwerpen. Door een gouden nanodeeltje in het midden van elk frame te plakken, ze creëerden zelfs een kristalstructuur die lijkt op die van diamanten. Wetenschappers hopen dat door configuraties te veranderen en nieuwe soorten deeltjes toe te voegen, ze kunnen nog meer kenmerken naar voren halen.

In het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE, onderzoekers gebruiken zelf kleine diamanten. Ze ontdekten hoe ze "diamonoïden" zelf konden assembleren tot de kleinste nanodraden die ooit zijn gemaakt en die nog steeds stabiel genoeg zijn om aan de behoeften van wetenschappers te voldoen. In tegenstelling tot kleinere nanodraden, wetenschappers kunnen diamonoïde in de lucht opslaan zonder ze af te breken of ze in oplosmiddelen te dispergeren zonder hun structuur te veranderen.

"Het echt schokkende was dat we deze prachtige drie-atoomdwarsdoorsnede van nanodraden kregen, " zei Nick Melosh, een SLAC-onderzoeker. In vergelijking, de kleinste koolstof nanodraden zijn 10 atomen breed.

Om deze nanodraden te maken, de wetenschappers bevestigden een zwavelatoom aan de diamantdeeltjes op moleculaire schaal. Toen ze deze combinatie in een oplossing met koperionen plaatsten, de zwavel klampte zich vast aan het koper. Dit creëerde de basisbouwsteen voor nanodraad - een diamantvormige kooi met koper- en zwavelatomen. De diamonoïden in de afzonderlijke blokken trokken toen spontaan samen, de andere nanodeeltjes meetrekken. Dit vormde de nanodraad.

De volgende grote uitdaging is om zelf-assemblage te gebruiken om materialen te ontwerpen die specifieke problemen kunnen oplossen, zoals het opvangen van het juiste type licht voor zonnecellen, of het filteren van microben uit water.

"[Ik wil] methoden ontwikkelen om systemen te creëren die je in je verbeelding hebt. En dat is heel, zeer inspirerend, ' zei Bende.