นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาแพลตฟอร์มสำหรับประกอบส่วนประกอบวัสดุขนาดนาโนหรือ "วัตถุนาโน" ประเภทต่างๆ กันมาก ทั้งอนินทรีย์หรืออินทรีย์ ให้เป็นโครงสร้าง 3 มิติที่ต้องการ แม้ว่าการประกอบตัวเอง (SA) จะถูกนำมาใช้เพื่อจัดระเบียบวัสดุนาโนหลายชนิดได้สำเร็จ แต่กระบวนการนี้มีความเฉพาะเจาะจงต่อระบบอย่างมาก โดยสร้างโครงสร้างที่แตกต่างกันตามคุณสมบัติที่แท้จริงของวัสดุ ตามที่รายงานในบทความที่ตีพิมพ์ในวันนี้ใน Nature Materials แพลตฟอร์มนาโนแฟบริเคชันแบบใหม่ที่ตั้งโปรแกรมได้ของ DNA สามารถนำไปใช้เพื่อจัดระเบียบวัสดุ 3 มิติที่หลากหลายในลักษณะเดียวกันที่กำหนดไว้ที่ระดับนาโน (หนึ่งในพันล้านของเมตร) ซึ่งมีลักษณะเฉพาะทางแสงและเคมี และคุณสมบัติอื่นๆ ออกมา
"สาเหตุสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้ SA ไม่ใช่เทคนิคในการเลือกใช้งานจริงก็คือกระบวนการ SA เดียวกันไม่สามารถนำไปใช้กับวัสดุหลากหลายประเภทเพื่อสร้างอาร์เรย์ที่ได้รับคำสั่ง 3 มิติที่เหมือนกันจากส่วนประกอบนาโนที่แตกต่างกัน" ผู้เขียน Oleg Gang อธิบายที่เกี่ยวข้อง ผู้นำกลุ่มวัสดุนาโนชนิดอ่อนและชีวภาพที่ศูนย์วัสดุนาโนเชิงหน้าที่ (CFN) — สำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงาน (DOE) ของสหรัฐอเมริกาที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven — และเป็นศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเคมีและฟิสิกส์ประยุกต์ และวัสดุศาสตร์ที่ Columbia Engineering “ที่นี่ เราได้แยกกระบวนการ SA ออกจากคุณสมบัติของวัสดุโดยการออกแบบเฟรม DNA แบบโพลีฮีดรัลแข็ง ซึ่งสามารถห่อหุ้มวัตถุนาโนอนินทรีย์หรืออินทรีย์ต่างๆ ได้ รวมถึงโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และแม้แต่โปรตีนและเอนไซม์”
นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบเฟรมดีเอ็นเอสังเคราะห์ให้มีรูปร่างเป็นลูกบาศก์ ทรงแปดหน้า และทรงจัตุรมุข ภายในเฟรมนั้นมี "แขน" ของ DNA ซึ่งมีเพียงวัตถุนาโนที่มีลำดับ DNA เสริมเท่านั้นที่สามารถผูกมัดได้ voxels วัสดุเหล่านี้ - การรวมกรอบ DNA และวัตถุนาโน - เป็นส่วนสำคัญที่สามารถสร้างโครงสร้าง 3 มิติขนาดมหึมาได้ เฟรมจะเชื่อมต่อถึงกันโดยไม่คำนึงถึงชนิดของวัตถุนาโนที่อยู่ภายใน (หรือไม่) ตามลำดับเสริมที่พวกมันถูกเข้ารหัสที่จุดยอด เฟรมมีจำนวนจุดยอดที่แตกต่างกันและทำให้เกิดโครงสร้างที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรูปร่างของมัน วัตถุนาโนใดๆ ที่โฮสต์อยู่ภายในเฟรมจะใช้กับโครงสร้างเฟรมเฉพาะนั้น
เพื่อสาธิตวิธีการประกอบ นักวิทยาศาสตร์ได้เลือกอนุภาคนาโนที่เป็นโลหะ (ทอง) และเซมิคอนดักเตอร์ (แคดเมียมเซเลไนด์) และโปรตีนจากแบคทีเรีย (สเตรปตะวิดิน) เป็นวัตถุนาโนอนินทรีย์และอินทรีย์ที่จะวางไว้ภายในกรอบดีเอ็นเอ ประการแรก พวกเขายืนยันความสมบูรณ์ของเฟรม DNA และการก่อตัวของวอเซลของวัสดุโดยการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ CFN Electron Microscopy Facility และ Van Andel Institute ซึ่งมีชุดเครื่องมือที่ทำงานที่อุณหภูมิแช่แข็งสำหรับตัวอย่างทางชีววิทยา จากนั้นพวกเขาก็ตรวจสอบโครงสร้างขัดแตะ 3 มิติที่การกระเจิงด้วยรังสีเอกซ์แบบแข็งต่อเนื่องและลำแสงกระจายวัสดุเชิงซ้อนของแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ II (NSLS-II) ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE อีกแห่งที่ Brookhaven Lab Sanat Kumar ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีของ Columbia Engineering Bykhovsky และกลุ่มของเขาได้ทำการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ โดยเผยให้เห็นว่าโครงสร้างตาข่ายที่สังเกตได้จากการทดลอง (ขึ้นอยู่กับรูปแบบการกระเจิงของรังสีเอกซ์) เป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์มากที่สุดที่ voxels ของวัสดุจะก่อตัวได้
“วอเซลของวัสดุเหล่านี้ช่วยให้เราเริ่มใช้แนวคิดที่ได้มาจากอะตอม (และโมเลกุล) และคริสตัลที่พวกมันก่อตัวขึ้น และถ่ายทอดความรู้และฐานข้อมูลอันกว้างใหญ่นี้ไปยังระบบที่น่าสนใจในระดับนาโน” Kumar อธิบาย
จากนั้น นักเรียนของ Gang ที่โคลัมเบียได้สาธิตวิธีการใช้แพลตฟอร์มการประกอบเพื่อขับเคลื่อนการจัดเรียงวัสดุสองประเภทที่แตกต่างกันด้วยฟังก์ชันทางเคมีและทางแสง ในกรณีหนึ่ง พวกเขาร่วมกันประกอบเอนไซม์สองตัว เพื่อสร้างอาร์เรย์ 3 มิติที่มีความหนาแน่นของการอัดแน่นสูง แม้ว่าเอนไซม์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงทางเคมี แต่ก็มีกิจกรรมของเอนไซม์เพิ่มขึ้นประมาณสี่เท่า "เครื่องปฏิกรณ์นาโน" เหล่านี้สามารถใช้เพื่อควบคุมปฏิกิริยาน้ำตกและทำให้เกิดการผลิตวัสดุที่ออกฤทธิ์ทางเคมีได้ สำหรับการสาธิตวัสดุเกี่ยวกับแสง พวกเขาผสมจุดควอนตัมสองสีที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นนาโนคริสตัลเล็กๆ ที่ใช้ในการสร้างจอโทรทัศน์ที่มีความอิ่มตัวของสีและความสว่างสูง ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์แสดงให้เห็นว่าโครงตาข่ายที่เกิดขึ้นช่วยรักษาความบริสุทธิ์ของสีให้ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน (ความยาวคลื่น) ของแสง คุณสมบัตินี้สามารถช่วยให้มีการปรับปรุงความละเอียดอย่างมีนัยสำคัญในเทคโนโลยีการแสดงผลและการสื่อสารแบบออปติคัลต่างๆ
“เราจำเป็นต้องคิดใหม่ว่าวัสดุสามารถเกิดขึ้นได้อย่างไรและทำงานอย่างไร” Gang กล่าว “การออกแบบวัสดุใหม่อาจไม่จำเป็น เพียงบรรจุภัณฑ์วัสดุที่มีอยู่ด้วยวิธีใหม่ก็สามารถปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุได้ แพลตฟอร์มของเราอาจเป็นเทคโนโลยีที่เปิดใช้งาน 'นอกเหนือจากการผลิตการพิมพ์ 3 มิติ' เพื่อควบคุมวัสดุในขนาดที่เล็กกว่ามาก และด้วยความหลากหลายของวัสดุและองค์ประกอบที่ได้รับการออกแบบมากขึ้น การใช้แนวทางเดียวกันเพื่อสร้างโครงตาข่าย 3 มิติจากวัตถุนาโนที่ต้องการจากประเภทวัสดุที่แตกต่างกัน การรวมเอาวัสดุที่อาจเข้ากันไม่ได้ อาจปฏิวัติการผลิตนาโนได้”
วัสดุที่จัดทำโดย DOE/ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven หมายเหตุ: เนื้อหาอาจมีการแก้ไขรูปแบบและความยาว
รับข่าวสารวิทยาศาสตร์ล่าสุดด้วยจดหมายข่าวทางอีเมลฟรีของ ScienceDaily อัปเดตรายวันและรายสัปดาห์ หรือดูฟีดข่าวที่อัปเดตทุกชั่วโมงในโปรแกรมอ่าน RSS ของคุณ:
บอกเราว่าคุณคิดอย่างไรกับ ScienceDaily เรายินดีรับความคิดเห็นทั้งเชิงบวกและเชิงลบ มีปัญหาในการใช้งานเว็บไซต์หรือไม่? คำถาม?
เวลาโพสต์: Jul-04-2022