Wissenschaftler haben eine Plattform entwickelt, mit der sich nanometergroße Materialkomponenten, sogenannte „Nanoobjekte“, unterschiedlichster Art – anorganisch oder organisch – zu gewünschten dreidimensionalen Strukturen zusammenfügen lassen. Obwohl die Selbstassemblierung (SA) bereits erfolgreich zur Organisation verschiedener Nanomaterialien eingesetzt wurde, war der Prozess extrem systemspezifisch und erzeugte je nach den intrinsischen Eigenschaften der Materialien unterschiedliche Strukturen. Wie in einem heute in Nature Materials veröffentlichten Artikel berichtet wird, kann die neue DNA-programmierbare Nanofabrikationsplattform eingesetzt werden, um eine Vielzahl von dreidimensionalen Materialien auf der Nanoskala (Milliardstel Meter) auf die gleiche vorgegebene Weise zu organisieren, wodurch einzigartige optische, chemische und andere Eigenschaften entstehen.
„Einer der Hauptgründe, warum SA keine geeignete Technik für praktische Anwendungen ist, ist, dass sich derselbe SA-Prozess nicht auf eine breite Palette von Materialien anwenden lässt, um identische 3D-geordnete Arrays aus verschiedenen Nanokomponenten zu erzeugen“, erklärte der korrespondierende Autor Oleg Gang, Leiter der Soft and Bio Nanomaterials Group am Center for Functional Nanomaterials (CFN) – einer Einrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) am Brookhaven National Laboratory – und Professor für Chemieingenieurwesen und angewandte Physik und Materialwissenschaft an der Columbia Engineering University. „Hier haben wir den SA-Prozess von den Materialeigenschaften entkoppelt, indem wir starre polyedrische DNA-Rahmen entworfen haben, die verschiedene anorganische oder organische Nanoobjekte, darunter Metalle, Halbleiter und sogar Proteine und Enzyme, einkapseln können.“
Die Wissenschaftler entwickelten synthetische DNA-Rahmen in Würfel-, Oktaeder- und Tetraederform. Innerhalb der Rahmen befinden sich DNA-„Arme“, an die nur Nanoobjekte mit der komplementären DNA-Sequenz binden können. Diese Materialvoxel – die Integration von DNA-Rahmen und Nanoobjekt – bilden die Bausteine für makroskopische 3D-Strukturen. Die Rahmen verbinden sich unabhängig von der Art des Nanoobjekts, das sich darin befindet (oder nicht), anhand der komplementären Sequenzen, die an ihren Eckpunkten kodiert sind. Je nach Form haben Rahmen eine unterschiedliche Anzahl von Eckpunkten und bilden somit völlig unterschiedliche Strukturen. Jedes Nanoobjekt innerhalb der Rahmen nimmt diese spezifische Rahmenstruktur an.
Um ihr Montageverfahren zu demonstrieren, wählten die Wissenschaftler metallische (Gold) und halbleitende (Cadmiumselenid) Nanopartikel sowie ein bakterielles Protein (Streptavidin) als anorganische und organische Nanoobjekte, die in die DNA-Rahmen eingefügt werden sollten. Zunächst bestätigten sie die Integrität der DNA-Rahmen und die Bildung der Materialvoxel durch Abbildung mit Elektronenmikroskopen an der CFN Electron Microscopy Facility und am Van Andel Institute, das über eine Reihe von Instrumenten verfügt, die bei kryogenen Temperaturen für biologische Proben arbeiten. Dann untersuchten sie die 3D-Gitterstrukturen an den Strahllinien für kohärente harte Röntgenstreuung und komplexe Materialstreuung der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – einer weiteren Nutzereinrichtung des DOE Office of Science am Brookhaven Lab. Sanat Kumar, Bykhovsky-Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia Engineering University, und seine Gruppe führten eine computergestützte Modellierung durch, die zeigte, dass die experimentell beobachteten Gitterstrukturen (basierend auf den Röntgenstreumustern) die thermodynamisch stabilsten waren, die die Materialvoxel bilden konnten.
„Diese Materialvoxel ermöglichen es uns, Ideen zu nutzen, die aus Atomen (und Molekülen) und den Kristallen, die sie bilden, gewonnen werden, und dieses umfangreiche Wissen und diese Datenbank auf interessante Systeme im Nanomaßstab zu übertragen“, erklärte Kumar.
Gangs Studenten an der Columbia University demonstrierten dann, wie die Montageplattform genutzt werden kann, um die Organisation zweier verschiedener Materialien mit chemischen und optischen Funktionen voranzutreiben. In einem Fall fügten sie zwei Enzyme zusammen und erstellten so dreidimensionale Anordnungen mit hoher Packungsdichte. Obwohl die Enzyme chemisch unverändert blieben, zeigten sie eine etwa vierfach gesteigerte enzymatische Aktivität. Diese „Nanoreaktoren“ könnten verwendet werden, um Kaskadenreaktionen zu manipulieren und die Herstellung chemisch aktiver Materialien zu ermöglichen. Für die Demonstration des optischen Materials mischten sie zwei verschiedenfarbige Quantenpunkte – winzige Nanokristalle, die zur Herstellung von Fernsehbildschirmen mit hoher Farbsättigung und Helligkeit verwendet werden. Mit einem Fluoreszenzmikroskop aufgenommene Bilder zeigten, dass das gebildete Gitter die Farbreinheit unterhalb der Beugungsgrenze (Wellenlänge) des Lichts beibehielt; diese Eigenschaft könnte zu einer deutlichen Verbesserung der Auflösung in verschiedenen Display- und optischen Kommunikationstechnologien führen.
„Wir müssen die Materialherstellung und -funktion neu überdenken“, sagte Gang. „Eine Neugestaltung der Materialien ist möglicherweise nicht notwendig; schon die neue Verpackung bestehender Materialien könnte deren Eigenschaften verbessern. Unsere Plattform könnte eine Technologie jenseits des 3D-Drucks sein, die es ermöglicht, Materialien in deutlich kleinerem Maßstab, mit größerer Materialvielfalt und gezielten Zusammensetzungen zu fertigen. Die Verwendung desselben Ansatzes zur Bildung von 3D-Gittern aus gewünschten Nanoobjekten verschiedener Materialklassen und die Integration von ansonsten als inkompatibel geltenden Objekten könnte die Nanofertigung revolutionieren.“
Materialien bereitgestellt vom DOE/Brookhaven National Laboratory. Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.
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Beitragszeit: 04.07.2022