Gli scienziati hanno sviluppato una piattaforma per l'assemblaggio di componenti di materiali di dimensioni nanometriche, o "nano-oggetti, " di tipi molto diversi, inorganici o organici, nelle strutture 3D desiderate. Sebbene l'autoassemblaggio (SA) sia stato utilizzato con successo per organizzare nanomateriali di vario tipo, il processo è stato estremamente specifico per il sistema, generando diverse strutture in base alle proprietà intrinseche dei materiali. Come riportato in un articolo pubblicato oggi in Materiali della natura , la loro nuova piattaforma di nanofabbricazione programmabile a DNA può essere applicata per organizzare una varietà di materiali 3D negli stessi modi prescritti su scala nanometrica (miliardesimi di metro), dove ottica unica, chimico, e altre proprietà emergono.

"Uno dei motivi principali per cui SA non è una tecnica di scelta per applicazioni pratiche è che lo stesso processo SA non può essere applicato su un'ampia gamma di materiali per creare matrici ordinate 3D identiche da diversi nanocomponenti, " ha spiegato l'autore corrispondente Oleg Gang, leader del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN)—una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory—e professore di ingegneria chimica e di fisica applicata e scienza dei materiali presso Ingegneria della Colombia. "Qui, abbiamo disaccoppiato il processo SA dalle proprietà dei materiali progettando strutture rigide di DNA poliedrico che possono incapsulare vari nano-oggetti inorganici o organici, compresi i metalli, semiconduttori, e anche proteine ​​ed enzimi."

Gli scienziati hanno progettato strutture di DNA sintetico a forma di cubo, ottaedro, e tetraedro. All'interno dei frame ci sono "braccia" di DNA a cui possono legarsi solo i nano-oggetti con la sequenza di DNA complementare. Questi voxel materiali, l'integrazione della struttura del DNA e del nano-oggetto, sono gli elementi costitutivi da cui possono essere realizzate strutture 3-D su macroscala. I frame si connettono tra loro indipendentemente dal tipo di nano-oggetto contenuto (o meno) secondo le sequenze complementari con cui sono codificati ai loro vertici. A seconda della loro forma, i frame hanno un numero diverso di vertici e quindi formano strutture completamente diverse. Qualsiasi nano-oggetto ospitato all'interno dei frame assume quella specifica struttura del frame.

Per dimostrare il loro approccio all'assemblaggio, gli scienziati hanno selezionato nanoparticelle metalliche (oro) e semiconduttrici (seleniuro di cadmio) e una proteina batterica (streptavidina) come nano-oggetti inorganici e organici da collocare all'interno dei telai del DNA. Primo, hanno confermato l'integrità dei frame del DNA e la formazione di voxel materiali mediante imaging con microscopi elettronici presso la CFN Electron Microscopy Facility e il Van Andel Institute, che dispone di una suite di strumenti che operano a temperature criogeniche per campioni biologici. Hanno quindi sondato le strutture reticolari 3D presso le linee di luce Coherent Hard X-ray Scattering e Complex Materials Scattering della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab. Columbia Engineering Bykhovsky Professore di ingegneria chimica Sanat Kumar e il suo gruppo hanno eseguito modelli computazionali rivelando che le strutture reticolari osservate sperimentalmente (basate sui modelli di diffusione dei raggi X) erano le più stabili termodinamicamente che i voxel del materiale potessero formare.

"Questi voxel materiali ci permettono di iniziare a usare idee derivate da atomi (e molecole) e dai cristalli che formano, e trasferire questa vasta conoscenza e database a sistemi di interesse su scala nanometrica, " ha spiegato Kumar.

Gli studenti di Gang alla Columbia hanno quindi dimostrato come la piattaforma di assemblaggio potrebbe essere utilizzata per guidare l'organizzazione di due diversi tipi di materiali con funzioni chimiche e ottiche. In un caso, hanno co-assemblato due enzimi, creazione di array 3D con un'elevata densità di impacchettamento. Sebbene gli enzimi siano rimasti chimicamente invariati, hanno mostrato un aumento di circa quattro volte dell'attività enzimatica. Questi "nanoreattori" potrebbero essere utilizzati per manipolare reazioni a cascata e consentire la fabbricazione di materiali chimicamente attivi. Per la dimostrazione del materiale ottico, hanno mescolato due diversi colori di punti quantici:minuscoli nanocristalli che vengono utilizzati per realizzare schermi televisivi con elevata saturazione del colore e luminosità. Le immagini catturate con un microscopio a fluorescenza hanno mostrato che il reticolo formato manteneva la purezza del colore al di sotto del limite di diffrazione (lunghezza d'onda) della luce; questa proprietà potrebbe consentire un significativo miglioramento della risoluzione in varie tecnologie di visualizzazione e comunicazione ottica.

"Dobbiamo ripensare a come i materiali possono essere formati e come funzionano, " ha detto Gang. "La riprogettazione del materiale potrebbe non essere necessaria; il semplice confezionamento di materiali esistenti in nuovi modi potrebbe migliorarne le proprietà. potenzialmente, la nostra piattaforma potrebbe essere una tecnologia abilitante "oltre la produzione di stampa 3D" per controllare i materiali su scale molto più piccole e con una maggiore varietà di materiali e composizioni progettate. Utilizzando lo stesso approccio per formare reticoli 3D da nano-oggetti desiderati di diverse classi di materiali, integrando quelli che sarebbero altrimenti considerati incompatibili, potrebbe rivoluzionare la nanoproduzione".