طور العلماء منصة لتجميع مكونات المواد النانوية ، أو "كائنات النانو" ، من أنواع مختلفة للغاية-غير عضوية أو عضوية-إلى هياكل ثلاثية الأبعاد المرغوبة. على الرغم من أن التجميع الذاتي (SA) قد تم استخدامه بنجاح لتنظيم المواد النانوية من عدة أنواع ، إلا أن العملية كانت خاصة بالنظام ، مما يولد هياكل مختلفة تعتمد على الخواص الجوهرية للمواد. كما ورد في ورقة نشرت اليوم في مواد الطبيعة ، يمكن تطبيق منصة التصنيع النانوية القابلة للبرمجة الجديدة للحمض النووي لتنظيم مجموعة متنوعة من المواد ثلاثية الأبعاد في نفس الطرق الموصوفة في المجلد النانوي (المليارات من متر) ، حيث تظهر خصائص بصرية فريدة من نوعها.
"أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل SA ليس تقنية اختيار التطبيقات العملية هو أنه لا يمكن تطبيق نفس عملية SA عبر مجموعة واسعة من المواد لإنشاء صفائف ثلاثية الأبعاد متطابقة من مختلف المناطق النانوية" ، يوضح المؤلف المقابل أوليغ جانج ، زعيم Energy (، مختبر بروكهافن الوطني - وأستاذ الهندسة الكيميائية وعلوم الفيزياء والمواد التطبيقية في كولومبيا الهندسية. "هنا ، قمنا بفصل عملية SA من خصائص المواد عن طريق تصميم إطارات الحمض النووي المتعدد السطوح الصلبة التي يمكن أن تغلف العديد من الأشياء النانوية غير العضوية أو العضوية ، بما في ذلك المعادن ، أشباه الموصلات ، وحتى البروتينات والإنزيمات."
قام العلماء بتصميم إطارات الحمض النووي الاصطناعية على شكل مكعب ، أوكتاهيرون ، ورباعي الطمر. داخل الإطارات عبارة عن "أذرع" للحمض النووي التي يمكن أن ترتبط بها فقط كائنات نانو مع تسلسل الحمض النووي التكميلي. هذه الفوكسلات المادية-تكامل إطار الحمض النووي والكائن النانوي-هي لبنات البناء التي يمكن من خلالها إجراء هياكل ثلاثية الأبعاد. تتصل الإطارات ببعضها البعض بغض النظر عن نوع الكائن النانوي في الداخل (أو لا) وفقًا للتسلسلات التكميلية التي يتم تشفيرها في رؤوسها. اعتمادًا على شكلها ، تحتوي الإطارات على عدد مختلف من القمم وبالتالي تشكل هياكل مختلفة تمامًا. أي كائنات نانو التي يتم استضافتها داخل الإطارات تأخذ بنية الإطار المحددة.
لإظهار نهج التجميع الخاص بهم ، اختار العلماء الجسيمات النانوية المعدنية (الذهب) والموصل (الكادميوم) الجسيمات النانوية والبروتين البكتيري (الستربتافيدين) كقائد نانوي غير عضوي وعضوي لوضعه داخل أطر الحمض النووي. أولاً ، أكدوا سلامة إطارات الحمض النووي وتشكيل فوكسل المواد عن طريق التصوير باستخدام المجاهر الإلكترونية في مرفق المجهر الإلكتروني CFN ومعهد Van Andel ، الذي يحتوي على مجموعة من الأدوات التي تعمل في درجات حرارة مبردة للعينات البيولوجية. ثم قاموا بالتحقيق في هياكل الشبكة ثلاثية الأبعاد في خطوط أشعة الأشعة السينية الصلبة المتماسكة والمواد المعقدة لمصدر ضوء التزامن الوطني II (NSLS-II)-منشأة أخرى لمستخدم مستخدمي العلوم في مختبر بروكهافن. أجرى كولومبيا الهندسية أستاذ بيخوفسكي للهندسة الكيميائية سانات كومار ومجموعته نمذجة حسابية تكشف أن هياكل الشبكة التي تمت ملاحظتها تجريبياً (استنادًا إلى أنماط نثر الأشعة السينية) كانت أكثر تلك المستقرة للديناميكا الحرارية التي يمكن أن تشكلها الفوكسل المادية.
"تتيح لنا هذه الفوكسلات المادية البدء في استخدام الأفكار المستمدة من الذرات (والجزيئات) والبلورات التي تشكلها ، وتنقل هذه المعرفة الواسعة وقاعدة البيانات لأنظمة الاهتمام في المقياس النانوي" ، أوضح كومار.
ثم أظهر طلاب العصابات في كولومبيا كيف يمكن استخدام منصة التجميع لدفع تنظيم نوعين مختلفين من المواد ذات الوظائف الكيميائية والبصرية. في إحدى الحالات ، قاموا بتجميع إنزيميين ، مما يخلق صفائف ثلاثية الأبعاد بكثافة تعبئة عالية. على الرغم من أن الإنزيمات ظلت دون تغيير كيميائيًا ، فقد أظهروا حوالي أربعة أضعاف في النشاط الأنزيمي. يمكن استخدام هذه "النانوغرامات" لمعالجة تفاعلات التتالي وتمكين تصنيع المواد النشطة كيميائيا. بالنسبة لمظاهرة المواد البصرية ، قاموا بخلط لونين مختلفين من النقاط الكمومية - البلورات النانوية الصغيرة التي يتم استخدامها لعمل شاشات تلفزيونية ذات تشبع عالي اللون والسطوع. أظهرت الصور التي تم التقاطها مع مجهر مضان أن الشبكة التي تم تشكيلها حافظت على نقاء اللون أسفل حد الحيود (الطول الموجي) للضوء ؛ يمكن أن تسمح هذه الخاصية بتحسين دقة كبيرة في العديد من تقنيات الاتصالات البصرية والبصرية.
وقال جانج: "نحتاج إلى إعادة التفكير في كيفية تشكيل المواد وكيفية عملها". "قد لا يكون إعادة تصميم المواد ضروريًا ؛ ببساطة تعبئة المواد الحالية بطرق جديدة يمكن أن تعزز خصائصها. من المحتمل أن تكون منصتنا تقنية تمكين "تتجاوز تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد" للتحكم في المواد بمقاييس أصغر بكثير ومع تنوع مواد أكبر وتركيبات مصممة. باستخدام نفس النهج لتشكيل الشبكات ثلاثية الأبعاد من الكائنات النانوية المطلوبة لفئات المواد المختلفة ، التي تدمج تلك التي يمكن اعتبارها غير متوافقة ، يمكن أن تحدث ثورة في التصنيع النانوي. "
المواد المقدمة من Doe/Brookhaven National Laboratory. ملاحظة: قد يتم تحرير المحتوى للأناقة والطول.
احصل على آخر أخبار علمية مع النشرات الإخبارية عبر البريد الإلكتروني المجانية لـ ScienceDaily ، والتي تم تحديثها يوميًا وأسبوعيًا. أو عرض عمليات الأخبار المحدثة كل ساعة في قارئ RSS الخاص بك:
أخبرنا عن رأيك في ScienceDaily - نرحب بالتعليقات الإيجابية والسلبية. هل لديك أي مشاكل في استخدام الموقع؟ أسئلة؟
وقت النشر: يوليو -04-2022