Kolumbijští inženýři používají DNA nanotechnologie k výrobě pevných 3D nanomateriálů

3D mřížková mineralizace tvořená čtyřstěnami DNA (asi 30 nm) և nanočástice zlata v anorganických 3D duplikátech oxidu křemičitého-Au se zachovanou architekturou. Půjčka Inženýr Oleg Band / Columbia

Kolumbijští inženýři používají DNA: Nanotechnologie k vytváření materiálů na základě vysoce odolných syntetických nanočástic, které lze vyvíjet pomocí konvenčních metod nanofabrikace.

Vědci z Columbia Engineering ve spolupráci s Brookhaven National Laboratory dnes uvádějí, že postavili 3D materiály na bázi nanočástic, které vydrží vakuum, vysokou teplotu, vysoký tlak a vysokou úroveň záření. Výsledkem tohoto nového výrobního procesu jsou robustní, plně vyvinuté rámce nanoměřítků, které mohou nejen pojmout různé typy funkčních nanočástic, ale mohou být také rychle vyvinuty konvenčními metodami nanofabrikace.

„Materiály založené na těchto samo-sestavujících se nanočásticích jsou tak odolné, že mohou létat vesmírem,“ říká Oleg Gang. Chemické inženýrství և Aplikovaná fyzika եր Věda o materiálech, která vedla dnes zveřejněnou studii (19. března 201) Pokrok ve vědě„Byli jsme schopni přesunout architekturu 3D nanočástic DNA z kapaliny na křehký materiál do pevného stavu, kde křemičitan obnovuje řetězce DNA. Tento nový materiál plně zachovává původní architekturu rámce sítě nanočástic DNA a v podstatě vytváří 3D anorganický duplikát. „To nám umožnilo poprvé studovat, jak tyto nanomateriály vydrží drsné podmínky, jak se vyskytují a jaké jsou jejich vlastnosti.“

https://www.youtube.com/watch?v=EcFaM5UhRLc:
Film zobrazuje 3D rekonstrukci sítě nanočástic křemičité DNA (FIB-SEM). Rekonstrukce ukazuje nanočástice síťového zlata (struktura křemene není viditelná). Otvor pro latu se otáčí kolem osy, aby vizualizoval strukturu z více směrů. Půjčka Inženýr Oleg Band / Columbia

Vlastnosti materiálu v nanoměřítku se liší. Եւ Vědci dlouho studovali, jak používat tyto drobné materiály, které mají 1 000 až 10 000násobek tloušťky lidských vlasů, v nejrůznějších aplikacích, od výroby senzorů pro telefony po výrobu rychlejších čipů pro notebooky.: Techniky padělání však bylo obtížné implementovat do 3D nanoarchitektury. Nanotechnologie DNA umožňuje samy sestavovat složitě organizované materiály z nanočástic, ale vzhledem k závislosti DNA na měkkém prostředí mohou být tyto materiály stabilní pouze za stísněných podmínek. Naproti tomu nově vytvořené materiály lze nyní použít v široké škále aplikací, kde jsou tyto inženýrské struktury vyžadovány. Ačkoli konvenční nanomateriály jdou nad rámec vytváření hladkých struktur, nová metoda společnosti Gang umožňuje výrobu 3D nanomateriálů, které se stávají nezbytnými pro tolik elektronických, optických a energetických aplikací.

Lebka, společně jmenovaná vedoucím skupiny měkkých bio nanomateriálů v Centru pro funkční nanomateriály v Brookhavenské laboratoři, je v čele DNA nanotechnologie založené na skládání řetězce DNA do požadovaných dvojrozměrných nanostruktur. Tyto nanostruktury se stávají stavebními kameny, které lze programovat prostřednictvím interakcí Watson-Crick, které se samy sestavují ve 3D architekturách. Jeho tým navrhuje, formuje tyto nanostruktury DNA, integruje je s nanočásticemi a řídí sběr cílových materiálů na bázi nanočástic. A teď, s touto novou technikou, může tým přeměnit tyto materiály z měkkých na křehké na pevné.

Různé typy vícevrstvých nanoměřítkových sítí

Různé typy nanovláken, tvořené vícevrstvými nanorámy DNA (čtyřstěny, kostky, oktaedry), zlaté nanočástice, jsou mineralizovány na zvládnutelnou tloušťku silikonového povlaku (do přibližně 5 nm). Půjčka Inženýr Oleg Band / Columbia

Tato nová studie demonstruje efektivní metodu transformace 3D nanočásticových sítí na duplikáty silikotypů při zachování lokalizace mezičásticových spojení ve strukturách DNA a integrity organizace nanočástic. Oxid křemičitý funguje dobře, protože pomáhá udržovat nanostrukturu mateřské sítě DNA, tvorba podkladové DNA neovlivňuje zarovnání nanočástic.

„V takových sítích přebírá DNA vlastnosti křemíku,“ řekl Aaron Mickelson, postgraduální student ve skupině Gang. „Stává se stabilním na vzduchu, je možné ho vysušit, umožňuje to poprvé 3D analýzu v reálném prostoru v nanoměřítku. „Kromě toho, oxid křemičitý poskytuje pevnost, chemickou stabilitu, je to nízká cena, lze ji pokud možno změnit, je to velmi vhodný materiál.“

Aby se dozvěděli více o vlastnostech jejich nanostruktur, tým vystavil nanočástice modifikované křemíkové DNA extrémním podmínkám. Vysoká teplota 1,0000 ° C և vysoké mechanické namáhání nad 8 GPa (asi 80 000krát vyšší než atmosférický tlak nebo 80krát nejhlubší bod oceánu, Mariánský příkop) ել tyto procesy studujte na místě. Pro posouzení životaschopnosti struktur pro další vývojové fáze aplikací je vědci vystavili paprskům koncentrovaným ionty s vysokými ionty.

„Naše analýza použitelnosti těchto struktur v kombinaci s tradičními technikami nanofabrikace ukazuje skutečně stabilní platformu pro generování trvanlivých nanomateriálů s přístupy k objevování jejich nových vlastností založených na DNA,“ říká Gang. „Jedná se o velký krok vpřed, protože tyto speciální funkce znamenají, že můžeme použít naši kolekci 3D nanomateriálů a přesto vstoupit do celé řady běžných fází vývoje materiálů. „Tato integrace nových konvenčních obráběcích strojů je nezbytná pro pokrok v mechanice, elektronice, plazmonice, fotonice, supravodivosti, energetických materiálech.“

Spolupráce založené na práci lebky již vedly k vývoji nových polovodičových prostředí supravodivosti (vysílač křemičitý vysílač) pro další vývoj. Patří mezi ně dřívější studie, která byla zveřejněna Příroda komunikace և jeden nedávno publikován Nano dopisy:Vědci také plánují upravit strukturu tak, aby produkovala širokou škálu materiálů s vysoce žádoucími mechanickými a optickými vlastnostmi.

„Počítače jsou vyrobeny z křemíku již více než 40 let,“ dodal Gang. Trvalo čtyři desetiletí, než plánované struktury a zařízení omezily padělání. Nyní můžeme vyrobit nanoboby ve zkumavce během několika hodin bez drahých nástrojů. Osm miliard připojení na síť lze nyní uspořádat pro vlastní montáž pomocí nanoměřítkových procesů, které dokážeme navrhnout. Každý obvod může být tranzistor, senzor nebo optický emitor. Každý může být trochu uložených dat. Zatímco Mooreův zákon zpomaluje, existuje programový přístup ke sběru DNA, který nás posune vpřed k řešení problémů s nanotechnologiemi nových materiálů -. I když to pro současné metody představuje extrémní výzvu, pro nově vznikající technologie je to nesmírně důležité. “

Studie má název „Trvanlivé trojrozměrně regulované architektury sestavené z DNA nanočásticemi.“

Autoři jsou: Pavel V. Majski 1,2, Aaron Mickelson 3, Marco AL Cordeiro 1, Cheng Tian 1, Chunli Ma 1, Kim Kieslinger 1, E Tian 1, Wenyan Liu 1, Eric A. Stach 3, K. G. Yager 1, Oleg Gang 1, 3, 5

1 Centrum pro funkční nanomateriály, Brookhaven National Laboratory
2, Katedra chemie, Varšavská univerzita, Polsko
3D Katedra aplikované fyziky և Aplikovaná matematika, Columbia University
4 Předseda materiálových věd a inženýrství, University of Pennsylvania
5 Předseda chemického inženýrství, Columbia University

DOI: 10.1126 / sciadv.abf0617:

Studii podpořilo americké ministerstvo obrany, Army Research Office, W911NF-19-1-0395. Tato studie využívala Բր National Synchrotron Light II, Centrum pro funkční nanomateriály v Brookhavenské národní laboratoři, což jsou US DOE vědecké instituce na základě smlouvy DE-SC0012704. Design DNA byl podpořen americkým ministerstvem energetiky, Office of Basic Energy Sciences, Grant DE-SC0008772.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Objeven vzácný supravodič – může být rozhodující pro budoucnost kvantové práce na počítači

Výzkum vedený Kentem a laboratoří STFC Rutherford Appleton Laboratory vedl k objevu nového vzácného topologického supravodiče LaPt3P. Tento objev může mít velký význam pro...

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Newsletter

Subscribe to stay updated.