Bilim insanları, çok farklı türlerdeki (inorganik veya organik) nano boyutlu malzeme bileşenlerini veya "nano nesneleri" istenen 3 boyutlu yapılara birleştirmek için bir platform geliştirdiler. Öz-birleştirme (SA), çeşitli türlerdeki nanomalzemeleri düzenlemek için başarıyla kullanılmış olsa da, süreç son derece sisteme özgüydü ve malzemelerin içsel özelliklerine göre farklı yapılar üretiyordu. Bugün Nature Materials'da yayınlanan bir makalede bildirildiği üzere, yeni DNA programlanabilir nanofabrikasyon platformları, benzersiz optik, kimyasal ve diğer özelliklerin ortaya çıktığı nanoskalada (bir metrenin milyarda biri) aynı öngörülen şekillerde çeşitli 3 boyutlu malzemeleri düzenlemek için uygulanabilir.
“SA'nın pratik uygulamalar için tercih edilen bir teknik olmamasının başlıca nedenlerinden biri, farklı nano bileşenlerden özdeş 3 boyutlu sıralı diziler oluşturmak için aynı SA işleminin geniş bir malzeme yelpazesine uygulanamamasıdır,” diye açıklıyor, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi'ndeki (CFN) Yumuşak ve Biyo Nanomalzemeler Grubu lideri ve Columbia Mühendislik'te Kimya Mühendisliği ve Uygulamalı Fizik ve Malzeme Bilimi profesörü olan ilgili yazar Oleg Gang. “Burada, metaller, yarı iletkenler ve hatta proteinler ve enzimler dahil olmak üzere çeşitli inorganik veya organik nano nesneleri kapsülleyebilen sert çok yüzlü DNA çerçeveleri tasarlayarak SA işlemini malzeme özelliklerinden ayırdık.”
Bilim insanları küp, oktahedron ve tetrahedron şeklinde sentetik DNA çerçeveleri tasarladılar. Çerçevelerin içinde yalnızca tamamlayıcı DNA dizisine sahip nano nesnelerin bağlanabileceği DNA "kolları" bulunur. Bu maddi vokseller (DNA çerçevesinin ve nano nesnenin entegrasyonu) makro ölçekli 3 boyutlu yapıların yapılabileceği yapı taşlarıdır. Çerçeveler, köşelerinde kodlandıkları tamamlayıcı dizilere göre, içinde ne tür nano nesne olursa olsun (veya olmasın) birbirlerine bağlanır. Şekillerine bağlı olarak, çerçeveler farklı sayıda köşeye sahiptir ve böylece tamamen farklı yapılar oluştururlar. Çerçevelerin içinde barındırılan herhangi bir nano nesne, o belirli çerçeve yapısını alır.
Bilim insanları, montaj yaklaşımlarını göstermek için DNA çerçevelerinin içine yerleştirilecek inorganik ve organik nano nesneler olarak metalik (altın) ve yarı iletken (kadmiyum selenit) nanopartiküller ve bir bakteri proteini (streptavidin) seçtiler. İlk olarak, CFN Elektron Mikroskobu Tesisi ve biyolojik örnekler için kriyojenik sıcaklıklarda çalışan bir dizi alete sahip Van Andel Enstitüsü'ndeki elektron mikroskoplarıyla görüntüleme yaparak DNA çerçevelerinin bütünlüğünü ve malzeme voksellerinin oluşumunu doğruladılar. Daha sonra, Brookhaven Laboratuvarı'ndaki bir başka DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Ulusal Senkrotron Işık Kaynağı II'nin (NSLS-II) Tutarlı Sert X-ışını Saçılımı ve Karmaşık Malzemeler Saçılımı ışın hatlarındaki 3 boyutlu kafes yapılarını incelediler. Columbia Mühendislik Fakültesi Bykhovsky Kimya Mühendisliği Profesörü Sanat Kumar ve ekibi, deneysel olarak gözlemlenen kafes yapılarının (X-ışını saçılma desenlerine dayanarak) malzeme voksellerinin oluşturabileceği termodinamik açıdan en kararlı yapılar olduğunu ortaya koyan hesaplamalı modellemeler gerçekleştirdi.
Kumar, "Bu maddi vokseller, atomlardan (ve moleküllerden) ve bunların oluşturduğu kristallerden türetilen fikirleri kullanmaya başlamamızı ve bu engin bilgi ve veri tabanını nanometre ölçeğinde ilgi duyulan sistemlere taşımamızı sağlıyor" şeklinde açıklıyor.
Gang'in Columbia'daki öğrencileri daha sonra montaj platformunun kimyasal ve optik işlevlere sahip iki farklı türdeki malzemenin organizasyonunu yönlendirmek için nasıl kullanılabileceğini gösterdiler. Bir durumda, iki enzimi birlikte monte ederek yüksek paketleme yoğunluğuna sahip 3 boyutlu diziler oluşturdular. Enzimler kimyasal olarak değişmeden kalsa da enzimatik aktivitede yaklaşık dört kat artış gösterdiler. Bu "nano reaktörler" kademeli reaksiyonları manipüle etmek ve kimyasal olarak aktif malzemelerin üretimini sağlamak için kullanılabilirdi. Optik malzeme gösterimi için, yüksek renk doygunluğu ve parlaklığa sahip televizyon ekranları yapmak için kullanılan minik nanokristaller olan iki farklı renkte kuantum noktasını karıştırdılar. Floresan mikroskobuyla yakalanan görüntüler, oluşan kafesin ışığın kırınım sınırının (dalga boyu) altında renk saflığını koruduğunu gösterdi; bu özellik çeşitli ekran ve optik iletişim teknolojilerinde önemli çözünürlük iyileştirmelerine olanak tanıyabilir.
Gang, "Malzemelerin nasıl oluşturulabileceğini ve nasıl işlev görebileceğini yeniden düşünmemiz gerekiyor," dedi. "Malzeme yeniden tasarımı gerekli olmayabilir; mevcut malzemeleri yeni şekillerde paketlemek özelliklerini geliştirebilir. Potansiyel olarak, platformumuz malzemeleri çok daha küçük ölçeklerde ve daha fazla malzeme çeşitliliği ve tasarlanmış kompozisyonlarla kontrol etmek için '3 boyutlu baskı üretiminin ötesinde' bir teknoloji sağlayabilir. Farklı malzeme sınıflarından istenen nano nesnelerden 3 boyutlu kafesler oluşturmak için aynı yaklaşımı kullanmak, aksi takdirde uyumsuz kabul edilecek olanları entegre etmek, nanoüretimde devrim yaratabilir."
DOE/Brookhaven Ulusal Laboratuvarı tarafından sağlanan materyaller. Not: İçerik, stil ve uzunluk açısından düzenlenebilir.
ScienceDaily'nin günlük ve haftalık olarak güncellenen ücretsiz e-posta bültenleriyle en son bilim haberlerini alın. Veya RSS okuyucunuzda saatlik olarak güncellenen haber akışlarını görüntüleyin:
ScienceDaily hakkında ne düşündüğünüzü bize bildirin — hem olumlu hem de olumsuz yorumları memnuniyetle karşılıyoruz. Siteyi kullanırken herhangi bir sorun mu yaşıyorsunuz? Sorularınız mı var?
Gönderi zamanı: Tem-04-2022