Wetenschappers hebben een platform ontwikkeld voor het assembleren van materiaalcomponenten van nanoformaat, of "nano-objecten, "van zeer verschillende typen - anorganisch of organisch - in gewenste 3D-structuren. Hoewel zelfassemblage (SA) met succes is gebruikt om nanomaterialen van verschillende soorten te organiseren, het proces is zeer systeemspecifiek geweest, het genereren van verschillende structuren op basis van de intrinsieke eigenschappen van de materialen. Zoals gemeld in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurmaterialen , hun nieuwe DNA-programmeerbare nanofabricageplatform kan worden toegepast om een ​​verscheidenheid aan 3D-materialen op dezelfde voorgeschreven manieren op nanoschaal (miljardsten van een meter) te organiseren, waar unieke optische, chemisch, en andere eigenschappen ontstaan.

"Een van de belangrijkste redenen waarom SA geen techniek bij uitstek is voor praktische toepassingen, is dat hetzelfde SA-proces niet kan worden toegepast op een breed scala aan materialen om identieke 3D-geordende arrays van verschillende nanocomponenten te maken, " verklaarde corresponderende auteur Oleg Gang, leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) aan het Brookhaven National Laboratory - en een professor in Chemical Engineering en Applied Physics and Materials Science bij Colombia Engineering. "Hier, we hebben het SA-proces losgekoppeld van materiaaleigenschappen door rigide polyedrische DNA-frames te ontwerpen die verschillende anorganische of organische nano-objecten kunnen inkapselen, inclusief metalen, halfgeleiders, en zelfs eiwitten en enzymen."

De wetenschappers ontwikkelden synthetische DNA-frames in de vorm van een kubus, octaëder, en tetraëder. Binnen de frames bevinden zich DNA-"armen" waaraan alleen nano-objecten met de complementaire DNA-sequentie kunnen binden. Deze materiële voxels - de integratie van het DNA-frame en het nano-object - zijn de bouwstenen waaruit 3D-structuren op macroschaal kunnen worden gemaakt. De frames zijn met elkaar verbonden, ongeacht wat voor soort nano-object erin zit (of niet), volgens de complementaire reeksen waarmee ze zijn gecodeerd op hun hoekpunten. Afhankelijk van hun vorm, frames hebben een verschillend aantal hoekpunten en vormen dus totaal verschillende structuren. Alle nano-objecten die in de frames worden gehost, nemen die specifieke framestructuur aan.

Om hun montageaanpak te demonstreren, de wetenschappers selecteerden metalen (goud) en halfgeleidende (cadmiumselenide) nanodeeltjes en een bacterieel eiwit (streptavidine) als de anorganische en organische nano-objecten die in de DNA-frames moesten worden geplaatst. Eerst, ze bevestigden de integriteit van de DNA-frames en de vorming van materiële voxels door beeldvorming met elektronenmicroscopen bij de CFN Electron Microscopy Facility en het Van Andel Institute, die een reeks instrumenten heeft die bij cryogene temperaturen werken voor biologische monsters. Vervolgens onderzochten ze de 3D-roosterstructuren bij de Coherent Hard X-ray Scattering en Complex Materials Scattering-bundellijnen van de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky hoogleraar chemische technologie Sanat Kumar en zijn groep voerden computationele modellering uit en onthulden dat de experimenteel waargenomen roosterstructuren (gebaseerd op de röntgenverstrooiingspatronen) de thermodynamisch stabielste waren die de materiële voxels konden vormen.

"Deze materiële voxels stellen ons in staat om ideeën te gebruiken die zijn afgeleid van atomen (en moleculen) en de kristallen die ze vormen, en deze enorme kennis en database overdragen naar systemen die van belang zijn op nanoschaal, ’ legde Kumar uit.

Gang's studenten aan Columbia demonstreerden vervolgens hoe het assemblageplatform kon worden gebruikt om de organisatie van twee verschillende soorten materialen met chemische en optische functies aan te sturen. In een geval, ze hebben samen twee enzymen geassembleerd, het creëren van 3D-arrays met een hoge pakkingsdichtheid. Hoewel de enzymen chemisch onveranderd bleven, ze vertoonden een ongeveer viervoudige toename van de enzymatische activiteit. Deze "nanoreactoren" zouden kunnen worden gebruikt om cascadereacties te manipuleren en de fabricage van chemisch actieve materialen mogelijk te maken. Voor de demonstratie van optisch materiaal, ze mengden twee verschillende kleuren kwantumstippen - kleine nanokristallen die worden gebruikt om televisieschermen te maken met een hoge kleurverzadiging en helderheid. Beelden vastgelegd met een fluorescentiemicroscoop toonden aan dat het gevormde rooster de kleurzuiverheid onder de diffractielimiet (golflengte) van licht handhaafde; deze eigenschap kan zorgen voor een aanzienlijke verbetering van de resolutie in verschillende weergave- en optische communicatietechnologieën.

"We moeten heroverwegen hoe materialen kunnen worden gevormd en hoe ze functioneren, " zei Gang. "Materiaal herontwerp is misschien niet nodig; het simpelweg op nieuwe manieren verpakken van bestaande materialen zou hun eigenschappen kunnen verbeteren. Mogelijk, ons platform zou een ondersteunende technologie kunnen zijn die 'verder gaat dan de productie van 3D-printen' om materialen op veel kleinere schaal en met een grotere materiaalvariëteit en ontworpen composities te beheersen. Met dezelfde benadering om 3D-roosters te vormen van gewenste nano-objecten van verschillende materiaalklassen, integratie van diegene die anders als onverenigbaar zouden worden beschouwd, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de nanoproductie."