Inginerii columbieni folosesc nanotehnologia ADN pentru a construi nanomateriale 3D rezistente

Mineralizarea rețelei 3D formate din tetraedre ADN (aproximativ 30 nm) și nanofibre de aur în siliciu-Au 3D copie toate anorganice cu arhitectură conservată. Credit: Oleg Gang / Columbia Engineering

Inginerii Columbia folosesc ADN nanotehnologie pentru a crea materiale bazate pe nano-particule sintetice foarte elastice care pot fi prelucrate prin metode convenționale de nanofabricare.

Cercetătorii Columbia Engineering, care lucrează cu Laboratorul Național Brookhaven, raportează astăzi că au construit materiale 3D pe bază de nanoparticule care pot rezista la vid, temperaturi ridicate, presiune ridicată și radiații ridicate. Acest nou proces de fabricație are ca rezultat cadre solide și complet proiectate la scară nanometrică, care nu numai că pot găzdui o varietate de tipuri funcționale de nanofibre, dar pot fi, de asemenea, procesate rapid cu metode convenționale de nanofabricare.

„Aceste materiale bazate pe nanoparticule auto-asamblate sunt atât de elastice încât pot zbura în spațiu”, spune Oleg Gang, profesor de inginerie chimică și fizică aplicată și știința materialelor, care a condus studiul publicat astăzi (19 martie 201) de Progrese în știință. „Am reușit să mutăm arhitecturile 3D ale nanoparticulelor de ADN de la starea lichidă – și de la a fi un material maleabil – la starea solidă, unde silica întărește structurile ADN. Acest nou material își păstrează pe deplin arhitectura originală a cadrului de plasă ADN-nanoparticule, creând în esență o copie 3D anorganică. Acest lucru ne-a permis să explorăm – pentru prima dată – modul în care aceste nanomateriale pot rezista condițiilor dure, modul în care sunt formate și care sunt proprietățile lor. “


Filmul vizualizează o reconstrucție 3D (folosind FIB-SEM) a pânzei de silicat a particulelor de ADN. Reconstrucția arată nano particule de aur în plasă (structura de silice nu este vizibilă). Grila se rotește în jurul axei pentru a vizualiza structura din mai multe direcții. Credit: Oleg Gang / Columbia Engineering

Proprietățile materialului variază la scară nanomedicală, iar cercetătorii au explorat mult timp modul de utilizare a acestor materiale fine – de 1.000 până la 10.000 de ori mai mici decât grosimea părului uman – în toate tipurile de aplicații, de la crearea de senzori pentru telefoane până la construirea acestora cipuri mai rapide pentru laptopuri. . Cu toate acestea, tehnicile de fabricație au fost provocatoare în realizarea nano-arhitecturilor 3D. Nanotehnologia ADN permite crearea de materiale complexe organizate din nanoparticule prin auto-asamblare, dar având în vedere natura moale și dependentă de mediu a ADN-ului, astfel de materiale pot fi stabile doar într-o gamă îngustă de condiții. În schimb, materialele nou formate pot fi utilizate acum într-o gamă largă de aplicații în care sunt necesare aceste structuri stabilite. În timp ce nanofabricarea convențională excelează în crearea structurilor plane, noua metodă a lui Gang permite fabricarea nanomaterialelor 3D care devin esențiale pentru atâtea aplicații electronice, optice și de putere.

Gang, care deține o numire comună în funcția de șef al grupului de nanomateriale moi și bio la Centrul de laborator Brookhaven pentru nanomateriale funcționale, este responsabil cu nanotehnologia ADN, care se bazează pe plierea firului de ADN în nanostructurile bidimensionale bidimensionale și tridimensionale. Aceste nanostructuri devin blocuri care pot fi programate prin interacțiuni Watson-Crick pentru a fi asamblate în arhitecturi 3D. Echipa sa proiectează și modelează aceste nanostructuri ADN, le integrează cu nanoparticule și dirijează asamblarea materialelor pe bază de nanoparticule. Și, acum, cu această nouă tehnică, echipa poate muta aceste materiale de la moale și fragil la puternic și robust.

Diferite tipuri de rețele la scară nanomatică s-au format cu cadre nano-poliedrice ADN

Diferite tipuri de rețele la scară nanomatică formate cu cadre nano-poliedrice de ADN (tetraedre, cuburi și octaedre) și nanoparticule de aur sunt mineralizate cu grosime de acoperire silice controlabilă (de la aproximativ 5 nm într-un spațiu complet). Credit: Oleg Gang / Columbia Engineering

Acest nou studiu demonstrează o metodă eficientă pentru conversia rețelelor 3D de nanoparticule de ADN în copii de silice, păstrând topologia legăturilor interparticule din structurile ADN și integritatea organizației nanoparticulelor. Silica funcționează bine, deoarece ajută la menținerea nanostructurii rețelei de ADN nativ, formează un fir puternic de ADN de bază și nu afectează reglarea nanoparticulelor.

„ADN-ul din astfel de rețele dobândește proprietățile silicei”, spune Aaron Michelson, un doctorand din grupul Gang. „Devine stabil în aer și se poate usca și permite analiza 3D la nano-scară a materialului pentru prima dată în spațiul real. Mai mult, siliceul oferă rezistență chimică și durabilitate, este cost redus și poate fi modificat după cum este necesar – este un material foarte convenabil. “

Pentru a afla mai multe despre proprietățile nanostructurilor lor, echipa a expus rețelele de nanoparticule de ADN silicat transformate în condiții extreme: temperaturi ridicate peste 1.0000C și solicitări mecanice ridicate peste 8GPa (de aproximativ 80.000 de ori mai mult decât presiunea atmosferică sau de 80 de ori mai mult decât în cea mai adâncă parte a oceanului, șanțul Mariana) și a studiat aceste procese în loc. Pentru a evalua robustețea structurilor pentru aplicații și etapele ulterioare de procesare, cercetătorii le-au expus, de asemenea, la doze mari de radiații și raze ionice concentrate.

“Analiza noastră a aplicabilității acestor structuri pentru a fi asociată cu tehnicile tradiționale de nanofabricare demonstrează o platformă cu adevărat robustă pentru generarea nanomaterialelor elastice prin abordări bazate pe ADN pentru a descoperi noile lor proprietăți”, notează Gang. „Acesta este un mare pas înainte, deoarece aceste caracteristici specifice ne permit să folosim ansamblul nostru de nanomateriale 3D și să avem în continuare acces la întreaga gamă de etape convenționale de procesare a materialelor. “Această integrare a metodelor noi și convenționale de nanofabricare este necesară pentru a realiza progrese în mecanică, electronică, plasmonică, fotoni, superconductivitate și materiale energetice.”

Colaborările bazate pe munca Gang au dus deja la o nouă supraconductivitate și la conversia silicei în medii conductoare și semiconductoare pentru procesare ulterioară. Acestea includ un studiu anterior publicat de Comunicări despre natură și un recent publicat de Scrisoarea Nano. Cercetătorii intenționează, de asemenea, să modifice structura pentru a realiza o gamă largă de materiale cu proprietăți mecanice și optice extrem de dorite.

„Calculatoarele sunt fabricate din siliciu de peste 40 de ani”, adaugă Gang. „Au fost necesare patru decenii pentru a reduce fabricarea la aproximativ 10 nm pentru structurile și echipamentele plane. Acum putem realiza și asambla nanoobiecte într-o eprubetă în decurs de două ore fără instrumente scumpe. Opt miliarde de legături într-o singură rețea pot fi acum orchestrate pentru a se auto-asambla prin procese la scară nanomatică pe care le putem proiecta. Fiecare conexiune poate fi un tranzistor, un senzor sau un transmițător optic – fiecare poate fi un pic de date stocate. Pe măsură ce legea lui Moore încetinește, programabilitatea modurilor de colectare a ADN-ului este acolo pentru a ne duce mai departe pentru a rezolva problemele legate de producția de noi materiale și nanomi. Deși acest lucru a fost extrem de dificil pentru metodele actuale, este extrem de important pentru evoluția tehnologiilor. ”

Studiul este intitulat „Arhitecturi secvențiale secvențiale tridimensionale asamblate din nanoparticule de ADN”.

Autori: Pawel W. Majewski 1,2, Aaron Michelson3, Marco AL Cordeiro1, Cheng Tian1, Chunli Ma1, Kim Kisslinger1, Ye Tian1, Wenyan Liu1, Eric A. Stach3, Kevin G. Yager1, Oleg Gang1, 3, 5

1Centru de nanomateriale funcționale, Laboratorul Național Brookhaven
2Departamentul de chimie, Universitatea din Varșovia, Polonia
Departamentul 3D de Fizică Aplicată și Matematică Aplicată, Universitatea Columbia
4Departamentul Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea din Pennsylvania
5Departamentul de inginerie chimică, Universitatea Columbia

DOI: 10.1126 / sciadv.abf0617

Studiul a fost susținut de Departamentul Apărării al SUA, Oficiul de Cercetare a Armatei, W911NF-19-1-0395. Această cercetare a folosit resursele Centrului pentru Nanomateriale Funcționale și Sursa de lumină National Synchrotron II, care sunt Oficiul Științei DOE din SUA, la Laboratorul Național Brookhaven sub nr. Contract DE-SC0012704. Lucrările pentru crearea ADN-ului au fost susținute de Departamentul de Energie al SUA, Oficiul pentru Științe Energetice de Bază, Grant DE-SC0008772.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.