Các nhà khoa học đã phát triển một nền tảng để lắp ráp các thành phần vật liệu kích thước nano, hay "vật thể nano", thuộc các loại rất khác nhau — vô cơ hoặc hữu cơ — thành các cấu trúc 3 chiều mong muốn. Mặc dù tự lắp ráp (SA) đã được sử dụng thành công để sắp xếp các vật liệu nano thuộc nhiều loại, nhưng quá trình này cực kỳ đặc thù theo hệ thống, tạo ra các cấu trúc khác nhau dựa trên các đặc tính nội tại của vật liệu. Theo báo cáo trong một bài báo được công bố hôm nay trên tạp chí Nature Materials, nền tảng chế tạo nano có thể lập trình DNA mới của họ có thể được áp dụng để sắp xếp nhiều loại vật liệu 3 chiều theo cùng một cách quy định ở cấp độ nano (một phần tỷ mét), nơi các đặc tính quang học, hóa học và các đặc tính khác xuất hiện.
“Một trong những lý do chính khiến SA không phải là kỹ thuật được lựa chọn cho các ứng dụng thực tế là cùng một quy trình SA không thể được áp dụng trên nhiều loại vật liệu để tạo ra các mảng có thứ tự 3 chiều giống hệt nhau từ các thành phần nano khác nhau”, tác giả tương ứng Oleg Gang, trưởng nhóm Vật liệu nano mềm và sinh học tại Trung tâm Vật liệu nano chức năng (CFN) — Cơ sở người dùng của Văn phòng khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven — và là giáo sư Kỹ thuật hóa học và Vật lý ứng dụng và Khoa học vật liệu tại Columbia Engineering, giải thích. “Ở đây, chúng tôi tách quy trình SA khỏi các đặc tính vật liệu bằng cách thiết kế các khung DNA đa diện cứng có thể bao bọc nhiều vật thể nano vô cơ hoặc hữu cơ, bao gồm kim loại, chất bán dẫn và thậm chí cả protein và enzyme”.
Các nhà khoa học đã thiết kế các khung DNA tổng hợp có hình khối lập phương, hình bát diện và hình tứ diện. Bên trong các khung là các "cánh tay" DNA mà chỉ các vật thể nano có trình tự DNA bổ sung mới có thể liên kết. Các voxel vật liệu này — sự tích hợp của khung DNA và vật thể nano — là các khối xây dựng mà từ đó có thể tạo ra các cấu trúc 3 chiều ở quy mô vĩ mô. Các khung kết nối với nhau bất kể loại vật thể nano nào bên trong (hoặc không) theo các trình tự bổ sung mà chúng được mã hóa tại các đỉnh của chúng. Tùy thuộc vào hình dạng của chúng, các khung có số lượng đỉnh khác nhau và do đó tạo thành các cấu trúc hoàn toàn khác nhau. Bất kỳ vật thể nano nào được lưu trữ bên trong các khung đều có cấu trúc khung cụ thể đó.
Để chứng minh phương pháp lắp ráp của mình, các nhà khoa học đã chọn các hạt nano kim loại (vàng) và bán dẫn (cadmium selenide) và một protein vi khuẩn (streptavidin) làm các vật thể nano vô cơ và hữu cơ để đặt bên trong khung DNA. Đầu tiên, họ xác nhận tính toàn vẹn của khung DNA và sự hình thành các voxel vật liệu bằng cách chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử tại Cơ sở kính hiển vi điện tử CFN và Viện Van Andel, nơi có một bộ thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cực lạnh đối với các mẫu sinh học. Sau đó, họ thăm dò các cấu trúc mạng 3 chiều tại các chùm tia tán xạ tia X cứng mạch lạc và tán xạ vật liệu phức tạp của Nguồn sáng Synchrotron quốc gia II (NSLS-II) — một Cơ sở người dùng khác của Văn phòng khoa học DOE tại Phòng thí nghiệm Brookhaven. Giáo sư Kỹ thuật hóa học Bykhovsky của Columbia Engineering Sanat Kumar và nhóm của ông đã thực hiện mô hình tính toán, cho thấy các cấu trúc mạng quan sát được trong thực nghiệm (dựa trên các mẫu tán xạ tia X) là những cấu trúc ổn định nhất về mặt nhiệt động lực học mà các voxel vật liệu có thể hình thành.
Kumar giải thích: “Những voxel vật liệu này cho phép chúng tôi bắt đầu sử dụng các ý tưởng bắt nguồn từ các nguyên tử (và phân tử) và các tinh thể mà chúng tạo thành, đồng thời chuyển kiến thức và cơ sở dữ liệu rộng lớn này sang các hệ thống quan tâm ở cấp độ nano”.
Sau đó, sinh viên của Gang tại Columbia đã chứng minh cách nền tảng lắp ráp có thể được sử dụng để thúc đẩy tổ chức của hai loại vật liệu khác nhau có chức năng hóa học và quang học. Trong một trường hợp, họ đã lắp ráp đồng thời hai loại enzyme, tạo ra các mảng 3 chiều có mật độ đóng gói cao. Mặc dù các enzyme vẫn không thay đổi về mặt hóa học, nhưng chúng cho thấy hoạt động của enzyme tăng khoảng bốn lần. Các "lò phản ứng nano" này có thể được sử dụng để điều khiển các phản ứng tầng và cho phép chế tạo các vật liệu hoạt động về mặt hóa học. Đối với phần trình diễn vật liệu quang học, họ đã trộn hai màu khác nhau của các chấm lượng tử — các tinh thể nano nhỏ đang được sử dụng để tạo ra màn hình tivi có độ bão hòa màu và độ sáng cao. Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang cho thấy mạng lưới được hình thành duy trì độ tinh khiết của màu dưới giới hạn nhiễu xạ (bước sóng) của ánh sáng; tính chất này có thể cho phép cải thiện đáng kể độ phân giải trong nhiều công nghệ hiển thị và truyền thông quang học.
“Chúng ta cần phải suy nghĩ lại về cách vật liệu có thể được hình thành và cách chúng hoạt động”, Gang cho biết. “Thiết kế lại vật liệu có thể không cần thiết; chỉ cần đóng gói các vật liệu hiện có theo những cách mới có thể nâng cao các đặc tính của chúng. Về tiềm năng, nền tảng của chúng tôi có thể là một công nghệ cho phép 'vượt ra ngoài sản xuất in 3-D' để kiểm soát vật liệu ở quy mô nhỏ hơn nhiều và với nhiều loại vật liệu và thành phần được thiết kế hơn. Sử dụng cùng một phương pháp để tạo thành các mạng lưới 3-D từ các vật thể nano mong muốn thuộc các lớp vật liệu khác nhau, tích hợp những vật liệu mà nếu không sẽ bị coi là không tương thích, có thể cách mạng hóa sản xuất nano”.
Tài liệu do DOE/Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven cung cấp. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
Nhận tin tức khoa học mới nhất với bản tin email miễn phí của ScienceDaily, được cập nhật hàng ngày và hàng tuần. Hoặc xem nguồn cấp tin tức được cập nhật hàng giờ trong trình đọc RSS của bạn:
Hãy cho chúng tôi biết bạn nghĩ gì về ScienceDaily — chúng tôi hoan nghênh cả bình luận tích cực và tiêu cực. Bạn có gặp vấn đề gì khi sử dụng trang web không? Có câu hỏi nào không?
Thời gian đăng: 04-07-2022