Gli scienziati hanno sviluppato una piattaforma per assemblare componenti di materiali di dimensioni nanometriche, o "nano-oggetti", di tipologie molto diverse – inorganiche o organiche – nelle strutture 3D desiderate. Sebbene l'autoassemblaggio (SA) sia stato utilizzato con successo per organizzare nanomateriali di vario tipo, il processo è stato estremamente specifico per ogni sistema, generando strutture diverse in base alle proprietà intrinseche dei materiali. Come riportato in un articolo pubblicato oggi su Nature Materials, la loro nuova piattaforma di nanofabbricazione programmabile tramite DNA può essere applicata per organizzare una varietà di materiali 3D negli stessi modi prescritti alla scala nanometrica (miliardesimi di metro), dove emergono proprietà ottiche, chimiche e di altro tipo uniche.
"Uno dei motivi principali per cui l'SA non è una tecnica di scelta per applicazioni pratiche è che lo stesso processo SA non può essere applicato a un'ampia gamma di materiali per creare identiche matrici 3D ordinate da diversi nanocomponenti", ha spiegato l'autore corrispondente Oleg Gang, responsabile del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) - una struttura utente dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory - e professore di Ingegneria Chimica e di Fisica Applicata e Scienza dei Materiali presso la Columbia Engineering. "In questo caso, abbiamo disaccoppiato il processo SA dalle proprietà dei materiali progettando rigidi telai poliedrici di DNA in grado di incapsulare vari nanooggetti inorganici o organici, inclusi metalli, semiconduttori e persino proteine ed enzimi".
Gli scienziati hanno progettato strutture di DNA sintetico a forma di cubo, ottaedro e tetraedro. All'interno delle strutture si trovano "braccia" di DNA a cui solo i nano-oggetti con la sequenza di DNA complementare possono legarsi. Questi voxel di materiale – l'integrazione della struttura di DNA e del nano-oggetto – sono i mattoni da cui si possono creare strutture 3D su scala macroscopica. Le strutture si collegano tra loro indipendentemente dal tipo di nano-oggetto presente (o meno) al loro interno, in base alle sequenze complementari che codificano ai vertici. A seconda della loro forma, le strutture hanno un numero diverso di vertici e quindi formano strutture completamente diverse. Qualsiasi nano-oggetto ospitato all'interno delle strutture assume quella specifica struttura.
Per dimostrare il loro approccio di assemblaggio, gli scienziati hanno selezionato nanoparticelle metalliche (oro) e semiconduttrici (seleniuro di cadmio) e una proteina batterica (streptavidina) come nanooggetti inorganici e organici da collocare all'interno delle strutture di DNA. In primo luogo, hanno confermato l'integrità delle strutture di DNA e la formazione dei voxel di materiale mediante imaging con microscopi elettronici presso il CFN Electron Microscopy Facility e il Van Andel Institute, che dispone di una suite di strumenti che operano a temperature criogeniche per campioni biologici. Hanno poi sondato le strutture reticolari 3D presso le linee di luce Coherent Hard X-ray Scattering e Complex Materials Scattering del National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un'altra struttura utente dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab. Sanat Kumar, professore di Ingegneria Chimica presso la Columbia Engineering Bykhovsky, e il suo gruppo hanno eseguito una modellazione computazionale che ha rivelato che le strutture reticolari osservate sperimentalmente (basate sui pattern di scattering dei raggi X) erano quelle più termodinamicamente stabili che i voxel di materiale potessero formare.
"Questi voxel materiali ci consentono di iniziare a utilizzare idee derivate dagli atomi (e dalle molecole) e dai cristalli che essi formano, e di trasferire questa vasta conoscenza e questo database a sistemi di interesse su scala nanometrica", ha spiegato Kumar.
Gli studenti di Gang alla Columbia hanno poi dimostrato come la piattaforma di assemblaggio potesse essere utilizzata per guidare l'organizzazione di due diversi tipi di materiali con funzioni chimiche e ottiche. In un caso, hanno co-assemblato due enzimi, creando matrici 3D ad alta densità di impacchettamento. Sebbene gli enzimi siano rimasti chimicamente invariati, hanno mostrato un aumento di circa quattro volte dell'attività enzimatica. Questi "nanoreattori" potrebbero essere utilizzati per manipolare reazioni a cascata e consentire la fabbricazione di materiali chimicamente attivi. Per la dimostrazione del materiale ottico, hanno miscelato due diversi colori di punti quantici – minuscoli nanocristalli utilizzati per realizzare display televisivi con elevata saturazione e luminosità. Le immagini acquisite con un microscopio a fluorescenza hanno mostrato che il reticolo formato manteneva la purezza del colore al di sotto del limite di diffrazione (lunghezza d'onda) della luce; questa proprietà potrebbe consentire un significativo miglioramento della risoluzione in varie tecnologie di visualizzazione e comunicazione ottica.
"Dobbiamo ripensare il modo in cui i materiali possono essere formati e il loro funzionamento", ha affermato Gang. "La riprogettazione dei materiali potrebbe non essere necessaria; il semplice confezionamento di materiali esistenti in nuovi modi potrebbe migliorarne le proprietà. Potenzialmente, la nostra piattaforma potrebbe rappresentare una tecnologia abilitante 'oltre la produzione tramite stampa 3D' per controllare i materiali su scale molto più ridotte e con una maggiore varietà di materiali e composizioni progettate. Utilizzare lo stesso approccio per formare reticoli 3D a partire da nano-oggetti desiderati di diverse classi di materiali, integrando quelli che altrimenti sarebbero considerati incompatibili, potrebbe rivoluzionare la nanofabbricazione".
Materiali forniti dal Dipartimento dell'Energia/Brookhaven National Laboratory. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per stile e lunghezza.
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Data di pubblicazione: 04-07-2022