Các nhà khoa học đã phát triển một nền tảng để lắp ráp các thành phần vật liệu có kích thước nano, hay còn gọi là “vật thể nano”, thuộc các loại rất khác nhau – vô cơ hoặc hữu cơ – thành các cấu trúc 3-D mong muốn. Mặc dù quá trình tự lắp ráp (SA) đã được sử dụng thành công để tổ chức nhiều loại vật liệu nano, nhưng quá trình này cực kỳ đặc thù theo hệ thống, tạo ra các cấu trúc khác nhau dựa trên đặc tính bên trong của vật liệu. Như đã báo cáo trong một bài báo xuất bản 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 tổ chức nhiều loại vật liệu 3-D theo cùng một cách được quy định ở cấp độ nano (một phần tỷ mét), trong đó quang học, hóa học độc đáo và các thuộc tính khác xuất hiện.
Tác giả tương ứng Oleg Gang giải thích: “Một trong những lý do chính khiến SA không phải là kỹ thuật được lựa chọn cho các ứng dụng thực tế là vì cùng một quy trình SA không thể được áp dụng trên nhiều loại vật liệu để tạo ra các mảng có thứ tự 3-D giống hệt nhau từ các thành phần nano khác nhau”. , lãnh đạo Nhóm Vật liệu nano sinh học và mềm tại Trung tâm Vật liệu nano chức năng (CFN) - Văn phòng Cơ sở người dùng khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven - và là giáo sư Kỹ thuật hóa học và Khoa học vật lý và vật liệu ứng dụng tại Kỹ thuật Columbia. “Ở đây, chúng tôi đã 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 khác nhau, 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 dạng khối lập phương, bát diện và tứ diện. Bên trong các khung là các “cánh tay” DNA mà chỉ những vật thể nano có trình tự DNA bổ sung mới có thể liên kết được. Những voxels vật liệu này - sự tích hợp của khung DNA và vật thể nano - là những khối xây dựng mà từ đó có thể tạo ra các cấu trúc 3-D ở cấp độ vĩ mô. Các khung kết nối với nhau bất kể loại vật thể nano nào ở bên trong (hoặc không) theo trình tự bổ sung mà chúng được mã hóa ở các đỉnh của chúng. Tùy thuộc vào hình dạng của chúng, các khung có số 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 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 protein vi khuẩn (streptavidin) làm 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 điểm ảnh ba chiều 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 đông lạnh cho các mẫu sinh học. Sau đó, họ đã thăm dò các cấu trúc mạng 3-D tại các chùm tia tán xạ tia X cứng kết hợp và tán xạ vật liệu phức tạp của Nguồn sáng Synchrotron quốc gia II (NSLS-II) - một Văn phòng Người dùng Khoa học DOE khác tại Phòng thí nghiệm Brookhaven. Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Bykhovsky, Sanat Kumar và nhóm của ông đã thực hiện mô hình tính toán cho thấy rằng các cấu trúc mạng được quan sát thực nghiệm (dựa trên các mẫu tán xạ tia X) là những cấu trúc ổn định về mặt nhiệt động nhất mà các voxels 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) cũng như các tinh thể mà chúng tạo thành, đồng thời chuyển kiến thức và cơ sở dữ liệu khổng lồ này sang các hệ thống quan tâm ở cấp độ nano”.
Sau đó, các sinh viên của Gang tại Columbia đã trình diễn cách sử dụng nền tảng lắp ráp để thúc đẩy việc tổ chức hai loại vật liệu khác nhau có chức năng hóa học và quang học. Trong một trường hợp, họ đã tập hợp hai enzyme, tạo ra các mảng 3-D với mật độ đóng gói cao. Mặc dù các enzyme này không thay đổi về mặt hóa học nhưng chúng cho thấy hoạt tính của enzyme tăng gấp bốn lần. Những “lò phản ứng nano” này có thể được sử dụng để điều khiển các phản ứng theo tầng và cho phép chế tạo các vật liệu có hoạt tính hóa học. Để trình diễn vật liệu quang học, họ đã trộn hai màu khác nhau của chấm lượng tử - các tinh thể nano nhỏ đang được sử dụng để chế tạo màn hình tivi có độ bão hòa màu và độ sáng cao. Hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang cho thấy mạng hình thành duy trì độ tinh khiết màu dưới giới hạn nhiễu xạ (bước sóng) của ánh sáng; đặc tính này có thể cho phép cải thiện đáng kể độ phân giải trong các công nghệ hiển thị và truyền thông quang học khác nhau.
Gang cho biết: “Chúng ta cần suy nghĩ lại về cách vật liệu có thể được hình thành và cách chúng hoạt động. “Việc 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 tính chất của chúng. Có khả năng, nền tảng của chúng tôi có thể là một công nghệ cho phép 'ngoài sản xuất in 3-D' để kiểm soát vật liệu ở quy mô nhỏ hơn nhiều và có nhiều loại vật liệu cũng như thành phần được thiết kế hơn. Sử dụng cùng một cách tiếp cận để hình thành mạng 3-D từ các vật thể nano mong muốn thuộc các lớp vật liệu khác nhau, tích hợp những vật thể được coi là không tương thích, có thể cách mạng hóa quá trình sản xuất nano.”
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE/Brookhaven. 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 các nguồn cấp tin tức được cập nhật hàng giờ trong trình đọc RSS của bạn:
Hãy cho chúng tôi biết suy nghĩ của bạn về ScienceDaily - chúng tôi hoan nghênh cả những nhận xét tích cực và tiêu cực. Có vấn đề gì khi sử dụng trang web? Câu hỏi?
Thời gian đăng: Jul-04-2022