الأجسام النانوية المرغوبة: تجميع هياكل نانوية منظمة بتقنية ثلاثية الأبعاد — ساينس ديلي

طوّر العلماء منصةً لتجميع مكونات مادية نانوية الحجم، أو "أجسام نانوية"، من أنواع مختلفة جدًا - عضوية وغير عضوية - في هياكل ثلاثية الأبعاد مرغوبة. على الرغم من نجاح استخدام التجميع الذاتي (SA) لتنظيم أنواع مختلفة من المواد النانوية، إلا أن هذه العملية كانت خاصة بكل نظام على حدة، حيث تولّد هياكل مختلفة بناءً على الخصائص الجوهرية للمواد. وكما ورد في ورقة بحثية نُشرت اليوم في مجلة Nature Materials، يمكن تطبيق منصة التصنيع النانوية الجديدة القابلة للبرمجة باستخدام الحمض النووي (DNA) لتنظيم مجموعة متنوعة من المواد ثلاثية الأبعاد بنفس الطرق المحددة على مقياس النانو (جزء من مليار من المتر)، حيث تظهر خصائص بصرية وكيميائية فريدة وغيرها.

أوضح المؤلف المراسل، أوليج جانج، رئيس مجموعة المواد النانوية اللينة والحيوية في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN)، وهو مرفق لمستخدمي مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر بروكهافن الوطني، وأستاذ الهندسة الكيميائية والفيزياء التطبيقية وعلوم المواد في كلية كولومبيا للهندسة، أن "أحد الأسباب الرئيسية لعدم اختيار تقنية التحليل الطيفي للأحماض النووية للتطبيقات العملية هو استحالة تطبيق عملية التحليل الطيفي للأحماض النووية نفسها على مجموعة واسعة من المواد لإنشاء مصفوفات ثلاثية الأبعاد متطابقة ومرتبة من مكونات نانوية مختلفة". وأضاف: "هنا، فصلنا عملية التحليل الطيفي للأحماض النووية عن خصائص المواد من خلال تصميم إطارات حمض نووي متعدد السطوح صلبة قادرة على تغليف مختلف الأجسام النانوية العضوية وغير العضوية، بما في ذلك المعادن وأشباه الموصلات، وحتى البروتينات والإنزيمات".

قام العلماء بتصميم إطارات DNA اصطناعية على شكل مكعب، وثماني السطوح، ورباعي السطوح. داخل هذه الإطارات، توجد "أذرع" DNA لا يمكن الارتباط بها إلا للأجسام النانوية ذات تسلسل DNA المتكامل. هذه الفوكسلات المادية - تكامل إطار DNA والجسم النانوي - هي اللبنات الأساسية التي يمكن من خلالها بناء هياكل ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع. تتصل الإطارات ببعضها البعض بغض النظر عن نوع الجسم النانوي الموجود بداخلها (أو لا)، وفقًا للتسلسلات المتكاملية المُرمَّزة بها عند رؤوسها. بناءً على شكلها، يختلف عدد رؤوس الإطارات، وبالتالي تُشكِّل هياكل مختلفة تمامًا. أي جسم نانوي موجود داخل الإطارات يتخذ هيكل الإطار المحدد.

لإثبات أسلوبهم في التجميع، اختار العلماء جسيمات نانوية معدنية (الذهب) وشبه موصلة (سيلينيد الكادميوم) وبروتينًا بكتيريًا (ستربتافيدين) كأجسام نانوية عضوية وغير عضوية لوضعها داخل إطارات الحمض النووي. أولًا، تأكدوا من سلامة إطارات الحمض النووي وتكوين وحدات فوكسل المادة من خلال التصوير بالمجاهر الإلكترونية في منشأة المجهر الإلكتروني CFN ومعهد فان أندل، الذي يضم مجموعة من الأجهزة التي تعمل في درجات حرارة منخفضة جدًا للعينات البيولوجية. ثم فحصوا هياكل الشبكة ثلاثية الأبعاد في خطوط شعاع تشتت الأشعة السينية الصلبة المتماسكة وتشتت المواد المعقدة في مصدر الضوء السنكروتروني الوطني الثاني (NSLS-II) - وهو منشأة أخرى لمستخدمي مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر بروكهافن. أجرى سانات كومار، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كولومبيا بايكوفسكي ومجموعته نمذجة حسابية كشفت أن الهياكل الشبكية التي تم رصدها تجريبياً (بناءً على أنماط تشتت الأشعة السينية) كانت الأكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية والتي يمكن أن تشكلها وحدات فوكسل المواد.

"تسمح لنا وحدات فوكسل المادية هذه بالبدء في استخدام الأفكار المستمدة من الذرات (والجزيئات) والبلورات التي تشكلها، ونقل هذه المعرفة وقاعدة البيانات الواسعة إلى أنظمة ذات أهمية على نطاق النانو"، كما أوضح كومار.

ثم أظهر طلاب جانج في جامعة كولومبيا كيفية استخدام منصة التجميع لتوجيه تنظيم نوعين مختلفين من المواد ذات الوظائف الكيميائية والبصرية. في إحدى الحالات، قاموا بتجميع إنزيمين معًا، مما أدى إلى إنشاء مصفوفات ثلاثية الأبعاد ذات كثافة تعبئة عالية. على الرغم من أن الإنزيمات ظلت دون تغيير كيميائيًا، إلا أنها أظهرت زيادة في النشاط الإنزيمي بنحو أربعة أضعاف. يمكن استخدام هذه "المفاعلات النانوية" للتحكم في التفاعلات المتتالية وتمكين تصنيع المواد النشطة كيميائيًا. بالنسبة لعرض المواد البصرية، قاموا بخلط لونين مختلفين من النقاط الكمومية - وهي بلورات نانوية صغيرة تُستخدم في صنع شاشات تلفزيونية ذات تشبع لوني عالي وسطوع. أظهرت الصور الملتقطة بمجهر فلوري أن الشبكة المتكونة حافظت على نقاء اللون تحت حد حيود الضوء (الطول الموجي)؛ يمكن أن تسمح هذه الخاصية بتحسين كبير في الدقة في مختلف تقنيات العرض والاتصالات البصرية.

قال غانغ: "نحن بحاجة إلى إعادة النظر في كيفية تشكيل المواد ووظائفها. قد لا يكون إعادة تصميم المواد ضروريًا؛ فمجرد تغليف المواد الحالية بطرق جديدة قد يُحسّن خصائصها. ومن المحتمل أن تُمثّل منصتنا تقنيةً مُمكّنةً تتجاوز التصنيع بالطباعة ثلاثية الأبعاد، للتحكم في المواد على نطاقات أصغر بكثير وبتنوع أكبر في المواد وتركيباتها المُصمّمة. إن استخدام النهج نفسه لتشكيل شبكات ثلاثية الأبعاد من أجسام نانوية مرغوبة من فئات مواد مختلفة، ودمج تلك التي قد تُعتبر غير متوافقة، يُمكن أن يُحدث ثورةً في التصنيع النانوي".

المواد مقدمة من وزارة الطاقة/مختبر بروكهافن الوطني. ملاحظة: المحتوى قابل للتعديل من حيث الأسلوب والطول.

احصل على آخر أخبار العلوم مع نشرات ScienceDaily الإخبارية المجانية عبر البريد الإلكتروني، والتي تُحدّث يوميًا وأسبوعيًا. أو اطّلع على موجزات الأخبار المُحدّثة كل ساعة في قارئ RSS الخاص بك:

أخبرنا برأيك في ScienceDaily - نرحب بالتعليقات الإيجابية والسلبية. هل لديك أي مشاكل في استخدام الموقع؟ هل لديك أسئلة؟