מדענים פיתחו פלטפורמה להרכבת רכיבי חומרים בגודל ננומטרי, או "ננו-אובייקטים", מסוגים שונים מאוד - אנאורגניים או אורגניים - למבנים תלת-ממדיים רצויים. למרות שהרכבה עצמית (SA) שימשה בהצלחה לארגון ננו-חומרים מסוגים שונים, התהליך היה ספציפי ביותר למערכת, ויצרה מבנים שונים המבוססים על התכונות הפנימיות של החומרים. כפי שדווח במאמר שפורסם היום ב-Nature Materials, פלטפורמת הננו-ייצור החדשה שלהם, הניתנת לתכנות DNA, יכולה להיות מיושמת לארגון מגוון חומרים תלת-ממדיים באותן דרכים שנקבעו מראש בקנה מידה ננומטרי (מיליארדיות המטר), שם צצות תכונות אופטיות, כימיות ואחרות ייחודיות.
"אחת הסיבות העיקריות לכך ש-SA אינה טכניקה מועדפת ליישומים מעשיים היא שאותו תהליך SA לא ניתן ליישם על פני מגוון רחב של חומרים כדי ליצור מערכים תלת-ממדיים מסודרים זהים מננו-רכיבים שונים", הסביר המחבר אולג גאנג, ראש קבוצת הננו-חומרים הרכים והביולוגיים במרכז לננו-חומרים פונקציונליים (CFN) - מתקן משתמש של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) במעבדה הלאומית ברוקהייבן - ופרופסור להנדסה כימית ולפיזיקה יישומית ומדעי החומרים בקולומביה הנדסה. "כאן, ניתקנו את תהליך ה-SA מתכונות החומר על ידי תכנון מסגרות DNA רב-אדריות נוקשות שיכולות לכלול ננו-אובייקטים אנאורגניים או אורגניים שונים, כולל מתכות, מוליכים למחצה ואפילו חלבונים ואנזימים."
המדענים הנדסו מסגרות DNA סינתטיות בצורת קובייה, אוקטהדרון וטטרהדרון. בתוך המסגרות נמצאות "זרועות" DNA שאליהן יכולים להיקשר רק ננו-אובייקטים עם רצף DNA משלים. ווקסלים חומריים אלה - השילוב של מסגרת ה-DNA והננו-אובייקט - הם אבני הבניין מהן ניתן ליצור מבנים תלת-ממדיים בקנה מידה מקרוסקופי. המסגרות מתחברות זו לזו ללא קשר לסוג הננו-אובייקט שנמצא בפנים (או לא) בהתאם לרצפים המשלימים שבהם הן מקודדות בקודקודים שלהן. בהתאם לצורתן, למסגרות יש מספר שונה של קודקודים וכך יוצרות מבנים שונים לחלוטין. כל ננו-אובייקט המאוחסן בתוך המסגרות מקבל את מבנה המסגרת הספציפי הזה.
כדי להדגים את גישת ההרכבה שלהם, בחרו המדענים ננו-חלקיקים מתכתיים (זהב) ומוליכים למחצה (קדמיום סלניד) וחלבון חיידקי (סטרפטאבידין) כננו-אובייקטים אנאורגניים ואורגניים שימוקמו בתוך מסגרות ה-DNA. ראשית, הם אישרו את שלמות מסגרות ה-DNA ואת היווצרות הווקסלים החומריים על ידי הדמיה במיקרוסקופי אלקטרונים במתקן מיקרוסקופיית האלקטרונים CFN ובמכון ואן אנדל, שיש לו חבילה של מכשירים הפועלים בטמפרטורות קריוגניות עבור דגימות ביולוגיות. לאחר מכן הם בדקו את מבני הסריג התלת-ממדיים בקווי הקרן Coherent Hard X-ray Scattering and Complex Materials Scattering של National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - מתקן משתמש נוסף של משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי במעבדת ברוקהייבן. פרופסור להנדסה כימית בקולומביה, סנאט קומאר, וקבוצתו ביצעו מודלים חישוביים שגילו כי מבני הסריג שנצפו בניסוי (בהתבסס על דפוסי פיזור קרני הרנטגן) היו היציבים ביותר מבחינה תרמודינמית שווקסלי החומר יכלו ליצור.
"ווקסלים חומריים אלה מאפשרים לנו להתחיל להשתמש ברעיונות שמקורם באטומים (ומולקולות) ומהגבישים שהם יוצרים, ולהעביר את הידע העצום ומסד הנתונים הזה למערכות מעניינות בקנה מידה ננומטרי", הסביר קומאר.
סטודנטים של גנג באוניברסיטת קולומביה הדגימו לאחר מכן כיצד ניתן להשתמש בפלטפורמת ההרכבה כדי להניע את הארגון של שני סוגים שונים של חומרים בעלי פונקציות כימיות ואופטיות. במקרה אחד, הם הרכבו יחד שני אנזימים, ויצרו מערכים תלת-ממדיים עם צפיפות אריזה גבוהה. למרות שהאנזימים נותרו ללא שינוי כימי, הם הראו עלייה של פי ארבעה בערך בפעילות האנזימטית. ניתן להשתמש ב"ננו-ריאקטורים" אלה כדי לתמרן תגובות מדורגות ולאפשר ייצור של חומרים פעילים כימית. לצורך הדגמת החומר האופטי, הם ערבבו שני צבעים שונים של נקודות קוונטיות - ננו-גבישים זעירים המשמשים לייצור צגי טלוויזיה עם רוויה ובהירות צבע גבוהות. תמונות שצולמו במיקרוסקופ פלואורסצנטי הראו שהסריג שנוצר שמר על טוהר הצבע מתחת לגבול הדיפרקציה (אורך הגל) של האור; תכונה זו יכולה לאפשר שיפור משמעותי ברזולוציה בטכנולוגיות תצוגה ותקשורת אופטית שונות.
"אנחנו צריכים לחשוב מחדש על האופן שבו חומרים יכולים להיווצר וכיצד הם מתפקדים", אמר גאנג. "עיצוב מחדש של חומרים עשוי להיות לא הכרחי; אריזת חומרים קיימים בדרכים חדשות בלבד עשויה לשפר את תכונותיהם. באופן פוטנציאלי, הפלטפורמה שלנו יכולה להיות טכנולוגיה מאפשרת 'מעבר לייצור הדפסה תלת-ממדית' לשליטה בחומרים בקנה מידה קטן בהרבה ועם מגוון חומרים גדול יותר והרכבים מעוצבים. שימוש באותה גישה ליצירת סריגים תלת-ממדיים מננו-אובייקטים רצויים מקבוצות חומרים שונות, תוך שילוב אלו שאחרת היו נחשבים כלא תואמים, עשוי לחולל מהפכה בננו-ייצור."
החומרים סופקו על ידי משרד האנרגיה והאנרגיה של ברוק הייבן/המעבדה הלאומית. הערה: ייתכן עריכה של התוכן לשינוי סגנון ואורך.
קבלו את חדשות המדע האחרונות עם הניוזלטרים החינמיים של ScienceDaily בדוא"ל, המתעדכנים מדי יום ושבוע. או צפו בעדכוני חדשות המתעדכנים מדי שעה בקורא ה-RSS שלכם:
ספרו לנו מה דעתכם על ScienceDaily - נשמח לקבל תגובות חיוביות ושליליות כאחד. יש לכם בעיות בשימוש באתר? שאלות?
זמן פרסום: 04 יולי 2022