Wissenschaftler haben eine Plattform entwickelt, um nanoskalige Materialkomponenten oder „Nanoobjekte“ ganz unterschiedlicher Art – anorganisch oder organisch – zu gewünschten 3D-Strukturen zusammenzusetzen. Obwohl Selbstorganisation (SA) erfolgreich zur Organisation verschiedener Arten von Nanomaterialien eingesetzt wurde, war der Prozess äußerst systemspezifisch und erzeugte unterschiedliche Strukturen basierend auf den intrinsischen Eigenschaften der Materialien. Wie in einem heute in Nature Materials veröffentlichten Artikel berichtet wird, kann ihre neue DNA-programmierbare Nanofabrikationsplattform verwendet werden, um eine Vielzahl von 3D-Materialien auf die gleiche vorgeschriebene Weise im Nanomaßstab (Milliardstel Meter) zu organisieren, wo einzigartige optische, chemische und andere Eigenschaften entstehen.
„Einer der Hauptgründe, warum SA für praktische Anwendungen keine Technik der Wahl ist, besteht darin, dass derselbe SA-Prozess nicht auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden kann, um identische 3D-geordnete Arrays aus verschiedenen Nanokomponenten zu erstellen“, erklärte der korrespondierende Autor Oleg Gang , Leiter der Soft and Bio Nanomaterials Group am Center for Functional Nanomaterials (CFN) – einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) am Brookhaven National Laboratory – und Professor für Chemieingenieurwesen und Angewandte Physik und Materialien Wissenschaft bei Columbia Engineering. „Hier haben wir den SA-Prozess von den Materialeigenschaften entkoppelt, indem wir starre polyedrische DNA-Rahmen entworfen haben, die verschiedene anorganische oder organische Nanoobjekte einkapseln können, darunter Metalle, Halbleiter und sogar Proteine und Enzyme.“
Die Wissenschaftler konstruierten synthetische DNA-Rahmen in Form eines Würfels, Oktaeders und Tetraeders. In den Rahmen befinden sich DNA-„Arme“, an die sich nur Nanoobjekte mit der komplementären DNA-Sequenz binden können. Diese materiellen Voxel – die Integration des DNA-Rahmens und des Nanoobjekts – sind die Bausteine, aus denen makroskalige 3D-Strukturen hergestellt werden können. Die Rahmen verbinden sich miteinander, unabhängig davon, welche Art von Nanoobjekt sich darin befindet (oder nicht), entsprechend den komplementären Sequenzen, mit denen sie an ihren Eckpunkten codiert sind. Je nach Form weisen Rahmen eine unterschiedliche Anzahl an Eckpunkten auf und bilden somit völlig unterschiedliche Strukturen aus. Alle in den Rahmen untergebrachten Nanoobjekte nehmen diese spezifische Rahmenstruktur an.
Um ihren Aufbauansatz zu demonstrieren, wählten die Wissenschaftler metallische (Gold) und halbleitende (Cadmiumselenid) Nanopartikel sowie ein bakterielles Protein (Streptavidin) als anorganische und organische Nanoobjekte aus, die in den DNA-Rahmen platziert werden sollten. Zunächst bestätigten sie die Integrität der DNA-Rahmen und die Bildung materieller Voxel durch Bildgebung 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. Anschließend untersuchten sie die 3D-Gitterstrukturen an den Strahllinien „Coherent Hard X-ray Scattering“ und „Complex Materials Scattering“ der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – einer weiteren Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Brookhaven Lab. Sanat Kumar, Professor für Chemieingenieurwesen am Columbia Engineering Bykhovsky, und seine Gruppe führten eine Computermodellierung durch und zeigten, dass die experimentell beobachteten Gitterstrukturen (basierend auf den Röntgenstreumustern) die thermodynamisch stabilsten waren, die die Materialvoxel bilden konnten.
„Diese materiellen Voxel ermöglichen es uns, Ideen zu nutzen, die von Atomen (und Molekülen) und den Kristallen, die sie bilden, abgeleitet sind, und dieses umfangreiche Wissen und diese Datenbank auf interessante Systeme im Nanomaßstab zu übertragen“, erklärte Kumar.
Gangs Studenten an der Columbia demonstrierten dann, wie die Montageplattform genutzt werden könnte, um die Organisation zweier verschiedener Arten von Materialien mit chemischen und optischen Funktionen voranzutreiben. In einem Fall fügten sie zwei Enzyme zusammen und schufen so 3D-Anordnungen mit hoher Packungsdichte. Obwohl die Enzyme chemisch unverändert blieben, zeigten sie eine etwa vierfache Steigerung der enzymatischen Aktivität. Mit diesen „Nanoreaktoren“ könnten Kaskadenreaktionen manipuliert und die Herstellung chemisch aktiver Materialien ermöglicht werden. Für die Demonstration des optischen Materials mischten sie zwei verschiedene Farben von Quantenpunkten – winzige Nanokristalle, die zur Herstellung von Fernsehdisplays 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 eine deutliche Verbesserung der Auflösung in verschiedenen Anzeige- und optischen Kommunikationstechnologien ermöglichen.
„Wir müssen neu darüber nachdenken, wie Materialien geformt werden können und wie sie funktionieren“, sagte Gang. „Eine materielle Neugestaltung ist möglicherweise nicht erforderlich. Durch die einfache Verpackung bestehender Materialien auf neue Weise könnten deren Eigenschaften verbessert werden. Möglicherweise könnte unsere Plattform eine Technologie sein, die „über die 3D-Druckfertigung hinaus“ eine Technologie ermöglicht, die die Steuerung von Materialien in viel kleineren Maßstäben und mit größerer Materialvielfalt und entworfenen Zusammensetzungen ermöglicht. Die Verwendung des gleichen Ansatzes zur Bildung von 3D-Gittern aus gewünschten Nanoobjekten verschiedener Materialklassen und die Integration derjenigen, die sonst als inkompatibel gelten würden, 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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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.07.2022