الأجسام النانوية المرغوبة: تجميع الهياكل النانوية المرتبة بشكل ثلاثي الأبعاد

لقد طور العلماء منصة لتجميع مكونات المواد النانوية، أو "الأجسام النانوية"، من أنواع مختلفة جدًا - غير عضوية أو عضوية - إلى هياكل ثلاثية الأبعاد مرغوبة. على الرغم من أن التجميع الذاتي (SA) قد تم استخدامه بنجاح لتنظيم المواد النانوية من عدة أنواع، إلا أن العملية كانت خاصة بالنظام للغاية، مما أدى إلى إنشاء هياكل مختلفة بناءً على الخصائص الجوهرية للمواد. كما ورد في ورقة بحثية نُشرت اليوم في مجلة Nature Materials، يمكن تطبيق منصة التصنيع النانوية الجديدة القابلة للبرمجة للحمض النووي لتنظيم مجموعة متنوعة من المواد ثلاثية الأبعاد بنفس الطرق الموصوفة على مقياس النانو (جزء من المليار من المتر)، حيث تكون بصرية وكيميائية فريدة من نوعها. ، وتظهر خصائص أخرى.

"أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل SA ليس أسلوبًا مفضلاً للتطبيقات العملية هو أنه لا يمكن تطبيق نفس عملية SA عبر مجموعة واسعة من المواد لإنشاء مصفوفات مرتبة ثلاثية الأبعاد متطابقة من مكونات نانوية مختلفة" ، أوضح المؤلف المقابل أوليغ جانج ، قائد مجموعة المواد النانوية الناعمة والحيوية في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN) - وهو مرفق مستخدم العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) في مختبر بروكهافن الوطني - وأستاذ الهندسة الكيميائية و الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد في جامعة كولومبيا للهندسة. "هنا، قمنا بفصل عملية SA عن خصائص المواد من خلال تصميم إطارات DNA متعددة السطوح الصلبة التي يمكنها تغليف العديد من الكائنات النانوية غير العضوية أو العضوية، بما في ذلك المعادن وأشباه الموصلات وحتى البروتينات والإنزيمات."

صمم العلماء إطارات الحمض النووي الاصطناعية على شكل مكعب، وثماني، ورباعي السطوح. يوجد داخل الإطارات "أذرع" الحمض النووي التي لا يمكن الارتباط بها إلا من خلال الأجسام النانوية ذات تسلسل الحمض النووي التكميلي. تمثل وحدات الأكسيل المادية هذه - وهي تكامل إطار الحمض النووي والجسم النانوي - اللبنات الأساسية التي يمكن من خلالها صنع هياكل ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع. تتصل الإطارات ببعضها البعض بغض النظر عن نوع الجسم النانوي الموجود بداخلها (أو لا) وفقًا للتسلسلات التكميلية المشفرة بها عند رؤوسها. اعتمادًا على شكلها، تحتوي الإطارات على عدد مختلف من القمم وبالتالي تشكل هياكل مختلفة تمامًا. أي كائنات نانوية مستضافة داخل الإطارات تأخذ بنية الإطار المحددة تلك.

لتوضيح نهج التجميع، اختار العلماء جسيمات نانوية معدنية (الذهب) وأشباه الموصلات (سيلينيد الكادميوم) وبروتين بكتيري (ستربتافيدين) كأجسام نانوية غير عضوية وعضوية ليتم وضعها داخل إطارات الحمض النووي. أولاً، أكدوا سلامة إطارات الحمض النووي وتكوين فوكسلات المواد عن طريق التصوير باستخدام المجاهر الإلكترونية في مرفق الفحص المجهري الإلكتروني CFN ومعهد فان أندل، الذي يضم مجموعة من الأدوات التي تعمل في درجات حرارة مبردة للعينات البيولوجية. ثم قاموا بفحص الهياكل الشبكية ثلاثية الأبعاد في خطوط شعاع تشتت الأشعة السينية الصلبة المتماسكة وتشتت المواد المعقدة في مصدر ضوء السنكروترون الوطني II (NSLS-II) - وهو مرفق آخر لمستخدمي مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في مختبر بروكهافن. أجرى أستاذ الهندسة الكيميائية في كولومبيا بيكوفسكي، سانات كومار ومجموعته، نمذجة حسابية كشفت عن أن الهياكل الشبكية التي تمت ملاحظتها تجريبيًا (استنادًا إلى أنماط تشتت الأشعة السينية) كانت الأكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية التي يمكن أن تشكلها وحدات فوكسل المواد.

وأوضح كومار: "تسمح لنا وحدات فوكسل المادية هذه بالبدء في استخدام الأفكار المشتقة من الذرات (والجزيئات) والبلورات التي تشكلها، ونقل هذه المعرفة الواسعة وقاعدة البيانات إلى الأنظمة ذات الاهتمام على مقياس النانو".

بعد ذلك، أوضح طلاب جانج في جامعة كولومبيا كيف يمكن استخدام منصة التجميع لتحفيز تنظيم نوعين مختلفين من المواد ذات الوظائف الكيميائية والضوئية. وفي إحدى الحالات، شاركوا في تجميع إنزيمين، مما أدى إلى إنشاء مصفوفات ثلاثية الأبعاد ذات كثافة تعبئة عالية. وعلى الرغم من أن الإنزيمات ظلت دون تغيير كيميائيا، إلا أنها أظهرت زيادة في النشاط الأنزيمي بمقدار أربعة أضعاف. يمكن استخدام هذه "المفاعلات النانوية" لمعالجة التفاعلات المتتالية وتمكين تصنيع المواد النشطة كيميائيًا. من أجل عرض المواد البصرية، قاموا بخلط لونين مختلفين من النقاط الكمومية - بلورات نانوية صغيرة تستخدم لصنع شاشات تلفزيون ذات تشبع لوني وسطوع عاليين. أظهرت الصور الملتقطة بالمجهر الفلوري أن الشبكة المشكلة حافظت على نقاء اللون تحت حد الحيود (الطول الموجي) للضوء؛ يمكن أن تسمح هذه الخاصية بتحسين الدقة بشكل كبير في تقنيات العرض والاتصالات البصرية المختلفة.

وقال جانج: "نحن بحاجة إلى إعادة التفكير في كيفية تشكيل المواد وكيفية عملها". "قد لا تكون إعادة تصميم المواد ضرورية؛ إن مجرد تعبئة المواد الموجودة بطرق جديدة يمكن أن يعزز خصائصها. من المحتمل أن تكون منصتنا تقنية تمكينية "تتجاوز تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد" للتحكم في المواد بمقاييس أصغر بكثير وبتنوع أكبر في المواد والتركيبات المصممة. إن استخدام نفس النهج لتشكيل شبكات ثلاثية الأبعاد من الأجسام النانوية المطلوبة من فئات المواد المختلفة، ودمج تلك التي يمكن اعتبارها غير متوافقة، يمكن أن يحدث ثورة في التصنيع النانوي.

المواد المقدمة من وزارة الطاقة/مختبر بروكهافن الوطني. ملحوظة: يمكن تحرير المحتوى حسب الأسلوب والطول.

احصل على آخر أخبار العلوم من خلال النشرات الإخبارية المجانية عبر البريد الإلكتروني لـ ScienceDaily، والتي يتم تحديثها يوميًا وأسبوعيًا. أو قم بعرض ملفات الأخبار المحدثة كل ساعة في قارئ RSS الخاص بك:

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