Pažangių medžiagų programavimas

1996 m. IBM ir Šiaurės Vakarų universiteto mokslininkai naudojo vienos grandinės DNR, tarsi tai būtų molekulinis Velcro, kad užprogramuotų nanodalelių savaiminį surinkimą į paprastas struktūras. Darbas padėjo pradėti tuo metu besiformuojančią nanotechnologijų sritį, siūlydamas galimybę kurti naujas medžiagas iš apačios į viršų. Po dvylikos metų Šiaurės vakarų ir Brookhaveno nacionalinės laboratorijos mokslininkai žurnale praneša atskirai Gamta kad jie pagaliau ištesėjo šį pažadą, naudodami DNR jungtis, kad nanodalelės paverstų tobulus kristalus, kuriuose yra iki vieno milijono dalelių.

Užsakytas nano užsakymas: DNR sekos, pritvirtintos prie aukso nanodalelių (viršutinis vaizdas), programuoja dalelių savaiminį susijungimą į naujus kristalus (apatinis vaizdas). Rentgeno spindulių difrakcija patvirtina, kad kristalai, iš dalies suspausti elektroninės mikroskopijos, kuri sukūrė šiuos vaizdus, ​​yra tobulos dešimčių tūkstančių dalelių gardelės.

Kristalų struktūros yra sąmoningai suprojektuotos, sako Northwestern's Chadas Mirkinas , vienas iš medžiagų mokslininkų, 1990-aisiais pradėjusių susieti DNR, ir vienos iš šiandieninių pranešimų bendraautoris. Tai naujas būdas kurti dalykus.

Ohajo valstijos universiteto fizikas Davidas Stroudas darbą vadina gana vertingu. Jis prognozuoja, kad proveržis leis surinkti naujas medžiagas, pasižyminčias naujomis optinėmis, elektroninėmis ar magnetinėmis savybėmis, kurios iki šiol egzistavo tik medžiagų mokslininkų mintyse ir modeliuose. Net ir dabar stebiuosi, kad jie galėjo tai padaryti, sako Stroudas.

Iki šiol pastangos užprogramuoti nanodalelių savaiminį surinkimą trimis matmenimis daugiausia sukūrė netvarkingus gumulėlius. Šie gumulėliai gali turėti vertę; iš tiesų, Mirkin startup įmonė NanoSphere panaudojo technologiją kurdama medicininę diagnostiką, kurią patvirtino Maisto ir vaistų administracija.

Tačiau sudėtingesnėms ir egzotiškesnėms medžiagoms, kurias įsivaizduoja Stroud ir kiti, reikia tvarkingų konstrukcijų. Stroud sako, kad pakabinimas yra tas, kad nanodalelės yra didžiulės, palyginti su atomais, kurie sudaro daugumą kristalų. Dėl to nanodalelės juda palyginti lėtai, ypač su prijungtomis DNR grandinėmis. Atvėsusios, kad galėtų susijungti viena kitą papildančios DNR grandinės, nanodalelės paprastai sustingsta į netvarkingą išsidėstymą, kol joms pavyksta patekti į tvarkingą kristalo gardelę.

Naujų pranešimų autoriai – Mirkino ir chemiko George'o Schatzo vadovaujama Northwestern komanda ir fiziko Olego Gango komanda Brookhaven nacionalinės laboratorijos funkcinių medžiagų centras , Uptone, NY – įveikė dalelių vangumą naudodama ilgesnes DNR grandines, kurios suteikia dalelėms daugiau lankstumo formuojantis kristalams. Paprastai manome, kad kristališkumas reikalauja labai standžių struktūrų, todėl galima įsivaizduoti, kad norint turėti gerus kristalus, dalelėse būtinas labai standus DNR apvalkalas, sako Gang. Realybėje yra atvirkščiai.

Nors Šiaurės vakarų ir Brukhaveno sistemų detalės skiriasi, abi savo DNR grandines papildo sekomis, kurios veikia kaip tarpikliai ir lenkiamieji elementai, be papildomų sekų DNR galuose, kurios suriša daleles. Grupės pradeda surišdamos vieną iš dviejų DNR tipų su aukso nanodalelėmis. DNR tipai papildo vienas kitą. Tada šie du modifikuotų dalelių telkiniai sumaišomi ir atšaldomi. DNR grandinės su komplementaria DNR sudaro dvigubą spiralę, surišdamos atitinkamas nanodaleles, o identiškos DNR grandinės veikia kaip spyruoklės, atstumdamos atitinkamas daleles. Tuo tarpu kiekvienos DNR grandinės tarpikliai leidžia surištoms dalelėms pasisukti ir sulenkti, kad kiekviena mišinio dalelė galėtų surišti didžiausią skaičių papildomų dalelių.

Rezultatas yra būtent tai, ką prognozuoja teorija: kristalinė gardelė, kurioje kiekviena vieno tipo dalelė yra apsupta aštuonių kitų, žyminčių kubo kampus. Mirkino grupė taip pat įrodė, kad temperatūros ir DNR sekų koregavimas gali pakreipti tą patį dalelių mišinį, kad susidarytų atskira kristalų struktūra, kurioje kiekviena dalelė turi 12 kaimynų.

Mirkinas sako, kad jis ir jo komanda tik pradeda. Man tai tikrai tik pradžia, o ne pabaiga, sako jis. Per pastaruosius trejus metus Mirkino grupė demonstravo metodus, kaip įdėti skirtingus DNR jungiklius ant skirtingų nesferinių dalelių paviršių, tokių kaip trikampės prizmės ir viruso dalelės. Tai, pasak jo, turėtų leisti programuoti sudėtingesnes medžiagas su pasikartojančiais trijų ar daugiau komponentų modeliais. Tikrai intriguojanti galimybė čia yra galimybė užprogramuoti formavimąsi bet koks norimos struktūros, sako Mirkinas.

Stroudas teigia, kad jau pagamintos struktūros bus naudingos, nes DNR užprogramuotas agregatas bus išplėstas ir įtrauktas į kitas daleles, išskyrus auksą. Taikymas gali apimti fotoninius kristalus, kuriuose tikslus dalelių periodiškumas gali suderinti visas medžiagas, kad būtų galima manipuliuoti tam tikrais šviesos bangos ilgiais, ir fotovoltinius elementus, kurie užfiksuoja platesnį saulės spektro diapazoną.

Struktūros yra labai porėtos – 10 procentų dalelių ir DNR bei 90 procentų vandens. Tai gali trukdyti naudoti, kai vanduo yra nepageidaujamas. Išleiskite vandenį ir kristalai subyrės. Gang teigia, kad kristalus būtų galima stabilizuoti užpildant grotelę polimeru, tačiau jis taip pat tiria alternatyvias stabilizavimo schemas, kurios išsaugotų grotelių atvirą erdvę.

paslėpti