Навукоўцы распрацавалі платформу для зборкі нанапамерных матэрыяльных кампанентаў, або «нанааб'ектаў», самых розных тыпаў — неарганічных або арганічных — у патрэбныя трохмерныя структуры. Нягледзячы на тое, што самаарганізацыя (СА) паспяхова выкарыстоўваецца для арганізацыі нанаматэрыялаў некалькіх відаў, гэты працэс надзвычай спецыфічны для сістэмы, ствараючы розныя структуры на аснове ўнутраных уласцівасцей матэрыялаў. Як паведамляецца ў артыкуле, апублікаваным сёння ў Nature Materials, іх новая праграмавальная ДНК-платформа нанафабрыкацыі можа быць ужыта для арганізацыі розных трохмерных матэрыялаў тымі ж зададзенымі спосабамі ў нанамаштабе (мільярды метра), дзе з'яўляюцца ўнікальныя аптычныя, хімічныя і іншыя ўласцівасці.
«Адна з галоўных прычын, чаму SA не з'яўляецца пераважнай методыкай для практычнага прымянення, заключаецца ў тым, што адзін і той жа працэс SA нельга ўжываць да шырокага дыяпазону матэрыялаў для стварэння ідэнтычных трохмерных упарадкаваных масіваў з розных нанакампанентаў», — растлумачыў аўтар даследавання Алег Ганг, кіраўнік групы мяккіх і біялагічных нанаматэрыялаў у Цэнтры функцыянальных нанаматэрыялаў (CFN) — цэнтры карыстальнікаў Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE) у Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыі — і прафесар хімічнай інжынерыі і прыкладной фізікі і матэрыялазнаўства ў Калумбійскім інжынерным універсітэце. «Тут мы аддзялілі працэс SA ад уласцівасцей матэрыялу, распрацаваўшы жорсткія шматгранныя каркасы ДНК, якія могуць інкапсуляваць розныя неарганічныя або арганічныя нанааб'екты, у тым ліку металы, паўправаднікі і нават бялкі і ферменты».
Навукоўцы распрацавалі сінтэтычныя ДНК-каркасы ў форме куба, актаэдра і тэтраэдра. Унутры каркасаў знаходзяцца ДНК-«рукі», да якіх могуць прывязвацца толькі нанааб'екты з камплементарнай паслядоўнасцю ДНК. Гэтыя матэрыяльныя вокселі — інтэграцыя каркаса ДНК і нанааб'екта — з'яўляюцца будаўнічымі блокамі, з якіх можна ствараць макрамаштабныя трохмерныя структуры. Каркасы злучаюцца адзін з адным незалежна ад таго, які тып нанааб'екта знаходзіцца ўнутры (ці не), у залежнасці ад камплементарных паслядоўнасцей, якімі яны закадаваны ў сваіх вяршынях. У залежнасці ад сваёй формы, каркасы маюць розную колькасць вяршынь і, такім чынам, утвараюць зусім розныя структуры. Любыя нанааб'екты, размешчаныя ўнутры каркасаў, прымаюць гэту спецыфічную структуру каркаса.
Каб прадэманстраваць свой падыход да зборкі, навукоўцы выбралі металічныя (золата) і паўправадніковыя (селенід кадмію) наначасціцы, а таксама бактэрыяльны бялок (стрэптавідзін) у якасці неарганічных і арганічных нанааб'ектаў для размяшчэння ўнутры каркасаў ДНК. Спачатку яны пацвердзілі цэласнасць каркасаў ДНК і фарміраванне матэрыяльных вокселяў шляхам візуалізацыі з дапамогай электронных мікраскопаў у Цэнтры электроннай мікраскапіі CFN і Інстытуце Ван Андэля, які мае набор прыбораў, што працуюць пры крыягенных тэмпературах для біялагічных узораў. Затым яны даследавалі трохмерныя рашоткавыя структуры на лініях прамянёў кагерэнтнага цвёрдага рэнтгенаўскага рассеяння і рассеяння складаных матэрыялаў Нацыянальнай крыніцы сінхратроннага святла II (NSLS-II) — яшчэ аднаго цэнтра карыстальнікаў Упраўлення навукі Міністэрства энергетыкі ЗША ў Брукхейвенскай лабараторыі. Прафесар хімічнай інжынерыі імя Быхоўскага з Калумбійскага інжынернага ўніверсітэта і яго група правялі вылічальнае мадэляванне, якое паказала, што эксперыментальна назіраныя рашоткавыя структуры (заснаваныя на карцінах рассеяння рэнтгенаўскіх прамянёў) былі найбольш тэрмадынамічна стабільнымі, якія маглі ўтвараць матэрыяльныя вокселі.
«Гэтыя матэрыяльныя вокселі дазваляюць нам пачаць выкарыстоўваць ідэі, атрыманыя з атамаў (і малекул) і крышталяў, якія яны ўтвараюць, і пераносіць гэтыя велізарныя веды і базу дадзеных у сістэмы, якія цікавяць нас на нанамаштабе», — растлумачыў Кумар.
Студэнты Ганга з Калумбійскага ўніверсітэта прадэманстравалі, як платформу зборкі можна выкарыстоўваць для арганізацыі двух розных тыпаў матэрыялаў з хімічнымі і аптычнымі функцыямі. У адным выпадку яны сумесна сабралі два ферменты, стварыўшы трохмерныя масівы з высокай шчыльнасцю ўпакоўкі. Нягледзячы на тое, што ферменты заставаліся хімічна нязменнымі, яны паказалі павелічэнне ферментатыўнай актыўнасці прыкладна ў чатыры разы. Гэтыя «нанарэактары» можна выкарыстоўваць для маніпулявання каскаднымі рэакцыямі і стварэння хімічна актыўных матэрыялаў. Для дэманстрацыі аптычных матэрыялаў яны змяшалі два розныя колеры квантавых кропак — малюсенькіх нанакрышталяў, якія выкарыстоўваюцца для стварэння тэлевізійных дысплеяў з высокай насычанасцю колеру і яркасцю. Здымкі, атрыманыя з дапамогай флуарэсцэнтнага мікраскопа, паказалі, што ўтвораная рашотка захоўвае чысціню колеру ніжэй за дыфракцыйную мяжу (даўжыню хвалі) святла; гэтая ўласцівасць можа дазволіць значна палепшыць раздзяляльную здольнасць у розных тэхналогіях дысплеяў і аптычнай сувязі.
«Нам трэба пераасэнсаваць, як можна фармаваць матэрыялы і як яны функцыянуюць», — сказаў Ганг. «Перапрацоўка матэрыялаў можа быць неабавязковай; простая ўпакоўка існуючых матэрыялаў новым спосабам магла б палепшыць іх уласцівасці. Патэнцыйна наша платформа магла б стаць тэхналогіяй, якая выходзіць за рамкі трохмернага друку, для кіравання матэрыяламі ў значна меншых маштабах і з большай разнастайнасцю матэрыялаў і распрацаванымі кампазіцыямі. Выкарыстанне таго ж падыходу для фарміравання трохмерных рашотак з патрэбных нанааб'ектаў розных класаў матэрыялаў, інтэграцыя тых, якія ў адваротным выпадку лічыліся б несумяшчальнымі, магла б рэвалюцыянізаваць нанавытворчасць».
Матэрыялы прадастаўлены Міністэрствам энергетыкі ЗША/Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыяй. Заўвага: стыль і даўжыня зместу могуць быць адрэдагаваныя.
Атрымлівайце апошнія навуковыя навіны з дапамогай бясплатных электронных рассылак ScienceDaily, якія абнаўляюцца штодня і штотыдзень. Або праглядайце штогадзінныя абнаўленні навін у вашай праграме для чытання RSS:
Раскажыце нам, што вы думаеце пра ScienceDaily — мы вітаем як станоўчыя, так і адмоўныя каментарыі. У вас ёсць праблемы з выкарыстаннем сайта? Ёсць пытанні?
Час публікацыі: 04 ліпеня 2022 г.