دانشمندان پلتفرمی برای مونتاژ اجزای مواد در اندازه نانو یا "نانو-اشیاء" از انواع بسیار مختلف - معدنی یا آلی - به ساختارهای سه‌بعدی دلخواه توسعه داده‌اند. اگرچه خودآرایی (SA) با موفقیت برای سازماندهی نانومواد از انواع مختلف استفاده شده است، اما این فرآیند بسیار وابسته به سیستم بوده و ساختارهای مختلفی را بر اساس خواص ذاتی مواد ایجاد می‌کند. همانطور که در مقاله‌ای که امروز در Nature Materials منتشر شد، گزارش شده است، پلتفرم جدید نانوساخت قابل برنامه‌ریزی DNA آنها می‌تواند برای سازماندهی انواع مواد سه‌بعدی به همان روش‌های تعیین‌شده در مقیاس نانو (میلیاردم متر) استفاده شود، جایی که خواص نوری، شیمیایی و سایر خواص منحصر به فرد ظاهر می‌شوند.
اولگ گنگ، نویسنده‌ی مسئول، رهبر گروه نانومواد نرم و زیستی در مرکز نانومواد کاربردی (CFN) - یک مرکز کاربری دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در آزمایشگاه ملی بروکهاون - و استاد مهندسی شیمی و فیزیک کاربردی و علوم مواد در دانشگاه کلمبیا، توضیح داد: «یکی از دلایل اصلی که SA یک تکنیک انتخابی برای کاربردهای عملی نیست این است که نمی‌توان از یک فرآیند SA یکسان در طیف وسیعی از مواد برای ایجاد آرایه‌های منظم سه‌بعدی یکسان از نانواجزای مختلف استفاده کرد. در اینجا، ما فرآیند SA را با طراحی قاب‌های DNA چندوجهی سفت و سخت که می‌توانند نانواشیاء معدنی یا آلی مختلف، از جمله فلزات، نیمه‌رساناها و حتی پروتئین‌ها و آنزیم‌ها را در خود جای دهند، از خواص مواد جدا کردیم.»
دانشمندان قاب‌های DNA مصنوعی را به شکل مکعب، هشت‌وجهی و چهاروجهی مهندسی کردند. درون این قاب‌ها «بازوهای» DNA وجود دارد که فقط نانواشیاء با توالی DNA مکمل می‌توانند به آنها متصل شوند. این وکسل‌های ماده - ادغام قاب DNA و نانوشیء - بلوک‌های سازنده‌ای هستند که می‌توان از آنها ساختارهای سه‌بعدی در مقیاس ماکرو ساخت. قاب‌ها صرف نظر از اینکه چه نوع نانوشیء در داخل است (یا نیست) بر اساس توالی‌های مکملی که در رئوس خود با آنها کدگذاری شده‌اند، به یکدیگر متصل می‌شوند. بسته به شکل آنها، قاب‌ها تعداد رئوس متفاوتی دارند و بنابراین ساختارهای کاملاً متفاوتی را تشکیل می‌دهند. هر نانوشیء که درون قاب‌ها قرار گیرد، آن ساختار قاب خاص را به خود می‌گیرد.
دانشمندان برای نشان دادن رویکرد مونتاژ خود، نانوذرات فلزی (طلا) و نیمه‌رسانا (سلنید کادمیوم) و یک پروتئین باکتریایی (استرپتاویدین) را به عنوان نانواشیاء معدنی و آلی که باید درون قاب‌های DNA قرار داده شوند، انتخاب کردند. ابتدا، آنها با تصویربرداری با میکروسکوپ‌های الکترونی در مرکز میکروسکوپ الکترونی CFN و موسسه ون اندل، که دارای مجموعه‌ای از ابزارهایی است که در دماهای برودتی برای نمونه‌های بیولوژیکی کار می‌کنند، یکپارچگی قاب‌های DNA و تشکیل واکسل‌های ماده را تأیید کردند. سپس آنها ساختارهای شبکه سه‌بعدی را در خطوط پرتو پراکندگی پرتو ایکس سخت منسجم و پراکندگی مواد پیچیده منبع نور سینکروترون ملی II (NSLS-II) - یکی دیگر از تأسیسات کاربری دفتر علوم DOE در آزمایشگاه بروکهاون - بررسی کردند. پروفسور مهندسی شیمی، بیخوفسکی از دانشگاه کلمبیا، سانات کومار، و گروهش مدل‌سازی محاسباتی را انجام دادند و نشان دادند که ساختارهای شبکه‌ای مشاهده‌شده تجربی (بر اساس الگوهای پراکندگی پرتو ایکس) از نظر ترمودینامیکی پایدارترین ساختارهایی بودند که واکسل‌های ماده می‌توانستند تشکیل دهند.
کومار توضیح داد: «این واکسل‌های مادی به ما اجازه می‌دهند تا از ایده‌های مشتق‌شده از اتم‌ها (و مولکول‌ها) و بلورهایی که تشکیل می‌دهند، استفاده کنیم و این دانش و پایگاه داده وسیع را به سیستم‌های مورد علاقه در مقیاس نانو منتقل کنیم.»
سپس دانشجویان گنگ در دانشگاه کلمبیا نشان دادند که چگونه می‌توان از این پلتفرم مونتاژ برای سازماندهی دو نوع ماده مختلف با عملکردهای شیمیایی و نوری استفاده کرد. در یک مورد، آنها دو آنزیم را با هم مونتاژ کردند و آرایه‌های سه‌بعدی با تراکم بالای بسته‌بندی ایجاد کردند. اگرچه آنزیم‌ها از نظر شیمیایی بدون تغییر باقی ماندند، اما فعالیت آنزیمی آنها حدود چهار برابر افزایش یافت. این «نانوراکتورها» می‌توانند برای دستکاری واکنش‌های آبشاری و امکان ساخت مواد فعال شیمیایی استفاده شوند. برای نمایش مواد نوری، آنها دو رنگ مختلف از نقاط کوانتومی - نانوکریستال‌های کوچکی که برای ساخت نمایشگرهای تلویزیونی با اشباع رنگ و روشنایی بالا استفاده می‌شوند - را با هم مخلوط کردند. تصاویر گرفته شده با میکروسکوپ فلورسانس نشان داد که شبکه تشکیل شده، خلوص رنگ را زیر حد پراش (طول موج) نور حفظ می‌کند. این ویژگی می‌تواند امکان بهبود قابل توجه وضوح در فناوری‌های مختلف نمایشگر و ارتباطات نوری را فراهم کند.
گنگ گفت: «ما باید در مورد چگونگی شکل‌گیری مواد و نحوه عملکرد آنها تجدید نظر کنیم. طراحی مجدد مواد ممکن است ضروری نباشد؛ صرفاً بسته‌بندی مواد موجود به روش‌های جدید می‌تواند خواص آنها را بهبود بخشد. به طور بالقوه، پلتفرم ما می‌تواند یک فناوری توانمندساز «فراتر از تولید چاپ سه‌بعدی» برای کنترل مواد در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر و با تنوع بیشتر مواد و ترکیبات طراحی‌شده باشد. استفاده از همین رویکرد برای تشکیل شبکه‌های سه‌بعدی از نانواشیاء مورد نظر از طبقات مختلف مواد، و ادغام مواردی که در غیر این صورت ناسازگار تلقی می‌شوند، می‌تواند نانوتولید را متحول کند.»
مطالب ارائه شده توسط آزمایشگاه ملی DOE/Brookhaven. توجه: محتوا ممکن است از نظر سبک و طول ویرایش شود.
با خبرنامه‌های ایمیلی رایگان ScienceDaily که روزانه و هفتگی به‌روزرسانی می‌شوند، آخرین اخبار علمی را دریافت کنید. یا فیدهای خبری به‌روز شده ساعتی را در RSS خوان خود مشاهده کنید:
نظر خود را در مورد ScienceDaily با ما در میان بگذارید - ما از نظرات مثبت و منفی استقبال می‌کنیم. آیا در استفاده از سایت مشکلی دارید؟ سوالی دارید؟
زمان ارسال: ژوئیه-04-2022