p Os cientistas desenvolveram uma plataforma para a montagem de componentes de materiais nanométricos, ou "nano-objetos, "de tipos muito diferentes - inorgânicos ou orgânicos - em estruturas 3-D desejadas. Embora a automontagem (SA) tenha sido usada com sucesso para organizar nanomateriais de vários tipos, o processo é extremamente específico do sistema, gerando diferentes estruturas com base nas propriedades intrínsecas dos materiais. Conforme relatado em um artigo publicado hoje em Materiais da Natureza , sua nova plataforma de nanofabricação programável por DNA pode ser aplicada para organizar uma variedade de materiais 3-D nas mesmas formas prescritas em nanoescala (bilionésimos de um metro), onde óptico único, químico, e outras propriedades surgem. p "Uma das principais razões pelas quais o SA não é uma técnica escolhida para aplicações práticas é que o mesmo processo de SA não pode ser aplicado em uma ampla gama de materiais para criar matrizes 3-D idênticas ordenadas a partir de diferentes nanocomponentes, "explicou o autor correspondente Oleg Gang, líder do Grupo de nanomateriais macios e bio no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) - um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory - e um professor de Engenharia Química e de Física Aplicada e Ciência de Materiais em Columbia Engineering. "Aqui, dissociamos o processo SA das propriedades do material, projetando quadros de DNA poliédricos rígidos que podem encapsular vários nanoobjetos inorgânicos ou orgânicos, incluindo metais, semicondutores, e até proteínas e enzimas. "

p Os cientistas projetaram estruturas de DNA sintético em forma de cubo, octaedro, e tetraedro. Dentro das molduras estão os "braços" de DNA aos quais apenas nanobjetos com a sequência complementar de DNA podem se ligar. Esses voxels materiais - a integração da estrutura do DNA e do nanoobjeto - são os blocos de construção a partir dos quais as estruturas 3-D em macroescala podem ser feitas. Os quadros se conectam independentemente do tipo de nanoobjeto dentro (ou não) de acordo com as sequências complementares com as quais são codificados em seus vértices. Dependendo de sua forma, os quadros têm um número diferente de vértices e, portanto, formam estruturas totalmente diferentes. Quaisquer nanoobjetos hospedados dentro dos quadros assumem essa estrutura de quadro específica.

p Para demonstrar sua abordagem de montagem, os cientistas selecionaram nanopartículas metálicas (ouro) e semicondutoras (seleneto de cádmio) e uma proteína bacteriana (estreptavidina) como os nanoobjetos inorgânicos e orgânicos a serem colocados dentro das estruturas de DNA. Primeiro, eles confirmaram a integridade dos quadros de DNA e a formação de voxels de materiais por imagem com microscópios eletrônicos no CFN Electron Microscopy Facility e no Van Andel Institute, que possui um conjunto de instrumentos que operam em temperaturas criogênicas para amostras biológicas. Eles então sondaram as estruturas treliçadas 3-D nas linhas de luz Coherent Hard Ray Scattering e Complex Materials Scattering da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - outro DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab. O professor de Engenharia Química Sanat Kumar, da Columbia Engineering Bykhovsky, e seu grupo realizaram modelagem computacional, revelando que as estruturas reticuladas experimentalmente observadas (com base nos padrões de espalhamento de raios X) eram as mais termodinamicamente estáveis ​​que os voxels materiais poderiam formar.

p "Esses voxels materiais nos permitem começar a usar ideias derivadas de átomos (e moléculas) e os cristais que eles formam, e transportar este vasto conhecimento e banco de dados para sistemas de interesse em nanoescala, "explicou Kumar.

p Os alunos de Gang em Columbia demonstraram como a plataforma de montagem poderia ser usada para conduzir a organização de dois tipos diferentes de materiais com funções químicas e ópticas. Em um caso, eles co-montaram duas enzimas, criando matrizes 3-D com alta densidade de empacotamento. Embora as enzimas permanecessem quimicamente inalteradas, eles mostraram um aumento de cerca de quatro vezes na atividade enzimática. Esses "nanorreatores" poderiam ser usados ​​para manipular reações em cascata e permitir a fabricação de materiais quimicamente ativos. Para a demonstração do material óptico, eles misturaram duas cores diferentes de pontos quânticos - minúsculos nanocristais que estão sendo usados ​​para fazer telas de televisão com alta saturação de cor e brilho. Imagens capturadas com um microscópio de fluorescência mostraram que a rede formada manteve a pureza da cor abaixo do limite de difração (comprimento de onda) da luz; esta propriedade pode permitir uma melhoria significativa da resolução em várias tecnologias de exibição e comunicação óptica.

p "Precisamos repensar como os materiais podem ser formados e como funcionam, "disse a turma." O redesenho do material pode não ser necessário; o simples acondicionamento de materiais existentes de novas maneiras pode melhorar suas propriedades. Potencialmente, nossa plataforma poderia ser uma tecnologia capacitadora 'além da manufatura de impressão 3-D' para controlar materiais em escalas muito menores e com maior variedade de materiais e composições projetadas. Usando a mesma abordagem para formar redes 3-D a partir de nano-objetos desejados de diferentes classes de materiais, integrando aqueles que de outra forma seriam considerados incompatíveis, poderia revolucionar a nanofabricação. "