Uns científics han desenvolupat una plataforma per a l'assemblatge de components de materials de mida nanomètrica, o "nanoobjectes", de tipus molt diferents (inorgànics o orgànics) en estructures tridimensionals desitjades. Tot i que l'autoacoblament (SA) s'ha utilitzat amb èxit per organitzar nanomaterials de diversos tipus, el procés ha estat extremadament específic del sistema, generant diferents estructures basades en les propietats intrínseques dels materials. Tal com s'informa en un article publicat avui a Nature Materials, la seva nova plataforma de nanofabricació programable per ADN es pot aplicar per organitzar una varietat de materials tridimensionals de les mateixes maneres prescrites a nanoescala (mil·lionèsimes de metre), on emergeixen propietats òptiques, químiques i altres úniques.
«Una de les principals raons per les quals l'AS no és una tècnica preferida per a aplicacions pràctiques és que el mateix procés d'AS no es pot aplicar a una àmplia gamma de materials per crear matrius ordenades en 3D idèntiques a partir de diferents nanocomponents», va explicar l'autor corresponent Oleg Gang, líder del Grup de Nanomaterials Tous i Bio del Centre de Nanomaterials Funcionals (CFN) —una instal·lació d'usuaris de l'Oficina de Ciència del Departament d'Energia dels EUA (DOE) al Laboratori Nacional de Brookhaven— i professor d'Enginyeria Química i de Física Aplicada i Ciència de Materials a Columbia Engineering. «Aquí, vam desacoblar el procés d'AS de les propietats dels materials dissenyant marcs d'ADN polièdrics rígids que poden encapsular diversos nanoobjectes inorgànics o orgànics, inclosos metalls, semiconductors i fins i tot proteïnes i enzims».
Els científics van dissenyar marcs d'ADN sintètics en forma de cub, octaedre i tetraedre. Dins dels marcs hi ha "braços" d'ADN als quals només es poden unir els nanoobjectes amb la seqüència d'ADN complementària. Aquests vòxels materials (la integració del marc d'ADN i el nanoobjecte) són els blocs de construcció a partir dels quals es poden crear estructures tridimensionals a macroescala. Els marcs es connecten entre si independentment del tipus de nanoobjecte que hi hagi a dins (o no), segons les seqüències complementàries amb què estiguin codificats als seus vèrtexs. Depenent de la seva forma, els marcs tenen un nombre diferent de vèrtexs i, per tant, formen estructures completament diferents. Qualsevol nanoobjecte allotjat dins dels marcs adopta aquesta estructura de marc específica.
Per demostrar el seu enfocament d'acoblament, els científics van seleccionar nanopartícules metàl·liques (or) i semiconductores (seleniur de cadmi) i una proteïna bacteriana (estreptavidina) com a nanoobjectes inorgànics i orgànics que es col·locarien dins dels marcs d'ADN. Primer, van confirmar la integritat dels marcs d'ADN i la formació de vòxels materials mitjançant imatges amb microscopis electrònics a la Instal·lació de Microscòpia Electrònica CFN i a l'Institut Van Andel, que disposa d'un conjunt d'instruments que operen a temperatures criogèniques per a mostres biològiques. A continuació, van sondar les estructures de xarxa tridimensionals a les línies de llum de dispersió de raigs X durs coherents i dispersió de materials complexos de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una altra instal·lació d'usuaris de l'Oficina de Ciència del DOE al Laboratori Brookhaven. El professor d'Enginyeria Química Bykhovsky de Columbia Engineering, Sanat Kumar, i el seu grup van realitzar un modelatge computacional que va revelar que les estructures de xarxa observades experimentalment (basades en els patrons de dispersió de raigs X) eren les més estables termodinàmicament que els vòxels materials podien formar.
«Aquests vòxels materials ens permeten començar a utilitzar idees derivades dels àtoms (i les molècules) i dels cristalls que formen, i portar aquest vast coneixement i base de dades a sistemes d'interès a nanoescala», va explicar Kumar.
Els estudiants de Gang a Columbia van demostrar com la plataforma d'acoblament es podia utilitzar per impulsar l'organització de dos tipus diferents de materials amb funcions químiques i òptiques. En un cas, van co-acoblar dos enzims, creant matrius tridimensionals amb una alta densitat d'empaquetament. Tot i que els enzims van romandre químicament sense canvis, van mostrar un augment de quatre vegades en l'activitat enzimàtica. Aquests "nanoreactors" es podrien utilitzar per manipular reaccions en cascada i permetre la fabricació de materials químicament actius. Per a la demostració del material òptic, van barrejar dos colors diferents de punts quàntics: petits nanocristalls que s'utilitzen per fabricar pantalles de televisió amb alta saturació de color i brillantor. Les imatges capturades amb un microscopi de fluorescència van mostrar que la xarxa formada mantenia la puresa del color per sota del límit de difracció (longitud d'ona) de la llum; aquesta propietat podria permetre una millora significativa de la resolució en diverses tecnologies de visualització i comunicació òptica.
«Hem de repensar com es poden formar els materials i com funcionen», va dir Gang. «El redisseny de materials potser no és necessari; simplement empaquetar els materials existents de noves maneres podria millorar les seves propietats. Potencialment, la nostra plataforma podria ser una tecnologia habilitadora 'més enllà de la fabricació amb impressió 3D' per controlar materials a escales molt més petites i amb una major varietat de materials i composicions dissenyades. Utilitzar el mateix enfocament per formar xarxes 3D a partir de nanoobjectes desitjats de diferents classes de materials, integrant aquells que d'altra manera es considerarien incompatibles, podria revolucionar la nanofabricació».
Materials proporcionats pel DOE/Brookhaven National Laboratory. Nota: El contingut pot ser editat per estil i longitud.
Rep les darreres notícies científiques amb els butlletins electrònics gratuïts de ScienceDaily, actualitzats diàriament i setmanalment. O consulta les notícies actualitzades cada hora al teu lector RSS:
Digueu-nos què penseu de ScienceDaily: agraïm tant comentaris positius com negatius. Teniu algun problema per utilitzar el lloc web? Preguntes?
Data de publicació: 04-07-2022