นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาแพลตฟอร์มสำหรับการประกอบส่วนประกอบของวัสดุขนาดนาโน หรือที่เรียกว่า “วัตถุนาโน” ที่มีประเภทต่างๆ กันมากมาย ไม่ว่าจะเป็นสารอนินทรีย์หรือสารอินทรีย์ ให้เป็นโครงสร้าง 3 มิติตามต้องการ แม้ว่าการประกอบตัวเอง (self-assembly หรือ SA) จะประสบความสำเร็จในการจัดระเบียบวัสดุนาโนหลายประเภท แต่กระบวนการนี้มีความเฉพาะเจาะจงกับระบบอย่างมาก โดยสร้างโครงสร้างที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติโดยเนื้อแท้ของวัสดุนั้นๆ ตามที่รายงานในเอกสารที่ตีพิมพ์ในวันนี้ใน Nature Materials แพลตฟอร์มการผลิตนาโนที่เขียนโปรแกรมด้วย DNA ใหม่นี้สามารถนำไปใช้จัดระเบียบวัสดุ 3 มิติต่างๆ ในรูปแบบที่กำหนดไว้เหมือนกันในระดับนาโน (หนึ่งในพันล้านของหนึ่งเมตร) ซึ่งคุณสมบัติทางแสง เคมี และคุณสมบัติอื่นๆ ที่เป็นเอกลักษณ์จะเกิดขึ้น
“เหตุผลสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้ SA ไม่ใช่เทคนิคที่เลือกใช้สำหรับการใช้งานจริงก็คือ กระบวนการ SA เดียวกันนั้นไม่สามารถนำไปใช้กับวัสดุหลากหลายประเภทเพื่อสร้างอาร์เรย์แบบเรียงลำดับสามมิติที่เหมือนกันจากนาโนส่วนประกอบที่แตกต่างกันได้” Oleg Gang ผู้เขียนที่เกี่ยวข้องซึ่งเป็นผู้นำกลุ่มวัสดุนาโนแบบอ่อนและชีวภาพที่ศูนย์วัสดุนาโนเชิงฟังก์ชัน (CFN) ซึ่งเป็นหน่วยงานอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้งานสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (DOE) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวน และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและฟิสิกส์ประยุกต์และวัสดุศาสตร์ที่วิศวกรรมศาสตร์โคลัมเบียอธิบาย “ที่นี่ เราแยกกระบวนการ SA ออกจากคุณสมบัติของวัสดุโดยการออกแบบกรอบ DNA ที่มีหลายเหลี่ยมแข็งที่สามารถห่อหุ้มนาโนอ็อบเจกต์อนินทรีย์หรืออินทรีย์ต่างๆ ได้ รวมถึงโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และแม้แต่โปรตีนและเอนไซม์”
นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบกรอบ DNA สังเคราะห์ให้มีรูปร่างเป็นลูกบาศก์ แปดหน้า และสี่หน้า ภายในกรอบ DNA มี "แขน" ของ DNA ที่เฉพาะนาโนอ็อบเจกต์ที่มีลำดับ DNA เสริมเท่านั้นที่จะจับได้ วอกเซลของสสารเหล่านี้ ซึ่งก็คือการผสานกรอบ DNA และนาโนอ็อบเจกต์ เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สามารถสร้างโครงสร้าง 3 มิติในระดับมาโครได้ กรอบ DNA เหล่านี้เชื่อมต่อถึงกันโดยไม่คำนึงว่านาโนอ็อบเจกต์ชนิดใดอยู่ภายใน (หรือไม่มี) ตามลำดับเสริมที่เข้ารหัสไว้ที่จุดยอดของกรอบ กรอบ DNA จะมีจุดยอดต่างกันขึ้นอยู่กับรูปร่าง จึงก่อให้เกิดโครงสร้างที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง นาโนอ็อบเจกต์ใดๆ ที่อยู่ภายในกรอบจะมีโครงสร้างกรอบเฉพาะนั้น
เพื่อสาธิตวิธีการประกอบ นักวิทยาศาสตร์ได้เลือกนาโนอนุภาคโลหะ (ทอง) และเซมิคอนดักเตอร์ (แคดเมียมเซเลไนด์) และโปรตีนแบคทีเรีย (สเตรปตาวิดิน) เป็นนาโนอ็อบเจกต์อนินทรีย์และอินทรีย์ที่จะวางไว้ภายในกรอบ DNA ขั้นแรก พวกเขาได้ยืนยันความสมบูรณ์ของกรอบ DNA และการก่อตัวของวอกเซลของวัสดุโดยการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ CFN Electron Microscopy Facility และ Van Andel Institute ซึ่งมีชุดเครื่องมือที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำมากสำหรับตัวอย่างทางชีววิทยา จากนั้น พวกเขาจึงตรวจสอบโครงสร้างตาข่ายสามมิติที่ลำแสง Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering ของ National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ซึ่งเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้สำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE อีกแห่งที่ Brookhaven Lab ศาสตราจารย์ Sanat Kumar จากคณะวิศวกรรมเคมีแห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย Bykhovsky ได้สร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ ซึ่งเผยให้เห็นว่าโครงสร้างตาข่ายที่สังเกตได้จากการทดลอง (โดยอาศัยรูปแบบการกระเจิงของรังสีเอกซ์) เป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์มากที่สุดที่วอกเซลของวัสดุสามารถสร้างขึ้นได้
“วอกเซลของสสารเหล่านี้ทำให้เราสามารถเริ่มต้นใช้แนวคิดที่ได้จากอะตอม (และโมเลกุล) และผลึกที่พวกมันก่อตัวขึ้น และถ่ายโอนความรู้และฐานข้อมูลอันกว้างขวางเหล่านี้ไปยังระบบที่น่าสนใจในระดับนาโน” กุมาร์อธิบาย
จากนั้นนักเรียนของ Gang ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้สาธิตให้เห็นว่าแพลตฟอร์มการประกอบนี้สามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนการจัดระเบียบของวัสดุสองประเภทที่แตกต่างกันซึ่งมีหน้าที่ทางเคมีและทางแสงได้อย่างไร ในกรณีหนึ่ง พวกเขาได้ประกอบเอนไซม์สองตัวร่วมกัน เพื่อสร้างอาร์เรย์สามมิติที่มีความหนาแน่นของการบรรจุสูง แม้ว่าเอนไซม์จะยังไม่เปลี่ยนแปลงทางเคมี แต่ก็แสดงให้เห็นว่ามีกิจกรรมของเอนไซม์เพิ่มขึ้นประมาณสี่เท่า "นาโนรีแอคเตอร์" เหล่านี้สามารถใช้เพื่อควบคุมปฏิกิริยาแบบคาสเคดและทำให้สามารถผลิตวัสดุที่มีฤทธิ์ทางเคมีได้ สำหรับการสาธิตวัสดุทางแสง พวกเขาได้ผสมจุดควอนตัมสองสีที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นนาโนคริสตัลขนาดเล็กที่ใช้ในการสร้างจอโทรทัศน์ที่มีความอิ่มตัวของสีและความสว่างสูง ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์แสดงให้เห็นว่าโครงตาข่ายที่เกิดขึ้นนั้นรักษาความบริสุทธิ์ของสีไว้ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน (ความยาวคลื่น) ของแสง คุณสมบัตินี้จะช่วยให้ปรับปรุงความละเอียดได้อย่างมีนัยสำคัญในเทคโนโลยีการแสดงผลและการสื่อสารด้วยแสงต่างๆ
“เราจำเป็นต้องคิดใหม่ว่าวัสดุต่างๆ ถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไรและทำหน้าที่อย่างไร” แก๊งกล่าว “การออกแบบวัสดุใหม่อาจไม่จำเป็น เพียงแค่บรรจุวัสดุที่มีอยู่แล้วในรูปแบบใหม่ก็สามารถเพิ่มคุณสมบัติของวัสดุได้แล้ว แพลตฟอร์มของเราอาจเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยให้สามารถควบคุมวัสดุได้ในระดับที่เล็กลงมากและมีวัสดุหลากหลายมากขึ้น รวมถึงมีการออกแบบองค์ประกอบที่หลากหลายขึ้น การใช้แนวทางเดียวกันในการสร้างโครงตาข่าย 3 มิติจากวัตถุนาโนที่ต้องการจากวัสดุประเภทต่างๆ รวมถึงการผสานรวมวัตถุที่ถือว่าเข้ากันไม่ได้เข้าด้วยกัน อาจปฏิวัติการผลิตในระดับนาโนได้”
เอกสารนี้จัดทำโดย DOE/Brookhaven National Laboratory หมายเหตุ: เนื้อหาอาจได้รับการแก้ไขในด้านรูปแบบและความยาว
รับข่าวสารวิทยาศาสตร์ล่าสุดจากจดหมายข่าวฟรีทางอีเมลของ ScienceDaily ซึ่งอัปเดตทุกวันและทุกสัปดาห์ หรือดูฟีดข่าวอัปเดตทุกชั่วโมงในเครื่องอ่าน RSS ของคุณ:
บอกเราว่าคุณคิดอย่างไรกับ ScienceDaily — เรายินดีรับความคิดเห็นทั้งในเชิงบวกและเชิงลบ มีปัญหากับการใช้เว็บไซต์นี้หรือไม่ มีคำถามหรือไม่
เวลาโพสต์ : 04-07-2022