Do projeto de novos biomateriais a novos dispositivos fotônicos, novos materiais construídos por meio de um processo chamado nanofabricação de baixo para cima, ou automontagem, estão abrindo caminhos para novas tecnologias com propriedades ajustadas em nanoescala. No entanto, para liberar totalmente o potencial desses novos materiais, os pesquisadores precisam "ver" suas pequenas criações para que possam controlar o design e a fabricação para permitir as propriedades desejadas do material.
Este tem sido um desafio complexo que pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Columbia superaram pela primeira vez, imaginando o interior de um novo material automontado a partir de nanopartículas com resolução de sete nanômetros, cerca de 1/ 100.000 da largura de um cabelo humano. Em um novo artigo publicado em 7 de abril de 2022, na Science , os pesquisadores mostram o poder de sua nova técnica de imagem de raios-X de alta resolução para revelar a estrutura interna do nanomaterial.

A equipe projetou o novo nanomaterial usando DNA como material de construção programável, o que lhes permite criar novos materiais de engenharia para catálise, óptica e ambientes extremos. Durante o processo de criação desses materiais, os diferentes blocos de construção feitos de DNA e nanopartículas mudam de lugar por conta própria com base em um "plano" definido - chamado de modelo - projetado pelos pesquisadores. No entanto, para visualizar e explorar essas pequenas estruturas com raios-X, eles precisavam convertê-las em materiais inorgânicos que pudessem suportar os raios-X e fornecer funcionalidade útil. Pela primeira vez, os pesquisadores puderam ver os detalhes, incluindo as imperfeições em seus nanomateriais recém-organizados.

"Embora nossa montagem de nanomateriais baseada em DNA ofereça um tremendo nível de controle para ajustar as propriedades que desejamos, eles não formam estruturas perfeitas que correspondem totalmente ao projeto. Assim, sem imagens 3D detalhadas com resolução de partícula única, é impossível entender como projetar sistemas auto-montados eficazes, como ajustar o processo de montagem e até que ponto o desempenho de um material é afetado por imperfeições", disse o autor correspondente Oleg Gang, cientista do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) de Brookhaven. e professor de engenharia química e de física aplicada e ciência dos materiais na Columbia Engineering.

Como uma instalação de usuário do DOE Office of Science, o CFN oferece uma ampla gama de ferramentas para criar e investigar novos nanomateriais. Foi nos laboratórios do CFN e da Columbia Engineering que Gang e sua equipe construíram e estudaram novas nanoestruturas. Usando a montagem baseada em DNA como uma nova ferramenta de fabricação em nanoescala e modelagem precisa com materiais inorgânicos que podem revestir DNA e nanopartículas, os pesquisadores conseguiram demonstrar um novo tipo de arquitetura 3D complexa.

"Quando me juntei à equipe de pesquisa há cinco anos, estudamos muito bem a superfície de nossas montagens, mas a superfície é apenas superficial. Se você não puder ir mais longe, nunca verá que há um sistema sanguíneo ou ossos Como a montagem dentro de nossos materiais impulsiona seu desempenho, queríamos ir mais fundo para descobrir como funcionava", disse Aaron Noam Michelson, primeiro autor do estudo, Ph.D. estudante com Gang e agora é pós-doc no CFN.

E mais fundo a equipe foi, colaborando com os pesquisadores da linha de luz Hard X-ray Nanoprobe (HXN) na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), outra instalação do usuário do DOE Office of Science localizada no Brookhaven Lab. O NSLS-II permite que os pesquisadores estudem materiais com resolução em nanoescala e sensibilidade requintada, fornecendo luz ultrabrilhante que varia de infravermelho a raios-X rígidos.

"No NSLS-II, temos muitas ferramentas que podem ser usadas para aprender mais sobre um material, dependendo do que você está interessado. O que tornou HXN interessante para Oleg e seu trabalho foi que você pode ver as relações espaciais reais entre objetos dentro do Mas, quando falamos pela primeira vez sobre essa pesquisa, 'ver' essas pequenas estruturas já estava no limite do que a linha de luz poderia fazer", disse Hanfei Yan, também autor correspondente do estudo e um cientista da linha de luz da HXN.

Para superar esse desafio, os pesquisadores discutiram os vários obstáculos que precisavam superar. No CFN e Columbia, a equipe teve que descobrir como eles poderiam construir as estruturas com a organização desejada e como convertê-los em uma réplica inorgânica que pode suportar poderosos feixes de raios-X, enquanto no NSLS-II os pesquisadores tiveram que ajustar o linha de luz melhorando a resolução, aquisição de dados e muitos outros detalhes técnicos.

"Acho que a melhor maneira de descrever nosso progresso é em termos de desempenho. Quando tentamos coletar dados pela primeira vez na HXN, levamos três dias e conseguimos parte de um conjunto de dados. Na segunda vez que fizemos isso, demoramos dois dias e obtivemos a maior parte de um conjunto de dados completo, mas nossa amostra foi destruída no processo. Na terceira vez, levou pouco mais de 24 horas e obtivemos um conjunto de dados completo. Cada uma dessas etapas durou cerca de seis meses separados", disse Michelson.

Yan acrescentou:"Agora podemos terminá-la em um único dia. A técnica está madura o suficiente para que também a ofereçamos a outros usuários que queiram usar nossa linha de luz para investigar suas amostras. Ver amostras nessa escala é interessante para campos como como microeletrônica e pesquisa de baterias."

A equipe alavancou as habilidades da linha de luz de duas maneiras. Eles não apenas mediram o contraste de fase dos raios X que passavam pelas amostras, mas também coletaram a fluorescência dos raios X – a luz emitida – da amostra. Ao medir o contraste de fase, os pesquisadores puderam distinguir melhor o primeiro plano do plano de fundo de sua amostra.

"Medir os dados era apenas metade da batalha; agora precisávamos traduzir os dados em informações significativas sobre ordem e imperfeição de sistemas automontados. Queríamos entender que tipo de defeitos podem ocorrer nesses sistemas e qual é sua origem. Até Neste ponto, essa informação só estava disponível por meio de computação. Agora podemos realmente ver isso experimentalmente, o que é super empolgante e, literalmente, abre os olhos para o desenvolvimento futuro de nanomateriais complexos projetados", disse Gang.

Juntos, os pesquisadores desenvolveram novas ferramentas de software para ajudar a desvendar a grande quantidade de dados em pedaços que poderiam ser processados ​​e compreendidos. Um grande desafio foi conseguir validar a resolução alcançada. O processo iterativo que finalmente levou à nova resolução inovadora se estendeu por vários meses antes que a equipe verificasse a resolução por meio de análises padrão e abordagens de aprendizado de máquina.

"Demorei todo o meu Ph.D. para chegar aqui, mas pessoalmente me sinto muito gratificado por fazer parte desta colaboração. Pude me envolver em todas as etapas do caminho, desde a confecção das amostras até a execução da linha de luz. Todas as novas habilidades Aprendi nesta jornada que será útil para tudo o que está por vir", disse Michelson.

Mesmo que a equipe tenha alcançado este marco impressionante, eles estão longe de terminar. Eles já estão de olho nos próximos passos para ampliar ainda mais os limites do possível.

"Agora que passamos pelo processo de análise de dados, planejamos tornar essa parte mais fácil e rápida para projetos futuros, especialmente quando melhorias adicionais na linha de luz nos permitirem coletar dados ainda mais rápido. A análise é atualmente o gargalo ao fazer tomografia de alta resolução trabalhar na HXN", disse Yan.

Gang acrescentou:"Além de continuar a impulsionar o desempenho da linha de luz, também planejamos usar essa nova técnica para aprofundar as relações entre defeitos e propriedades de nossos materiais. Planejamos projetar nanomateriais mais complexos usando a automontagem de DNA que pode ser estudado usando HXN. Desta forma, podemos ver como a estrutura é construída internamente e conectar isso ao processo de montagem. Estamos desenvolvendo uma nova plataforma de fabricação de baixo para cima que não poderíamos imaginar sem essa nova capacidade."

Ao entender essa conexão entre as propriedades do material e o processo de montagem, os pesquisadores esperam desbloquear o caminho para ajustar esses materiais para futuras aplicações em nanomateriais projetados para baterias e catálise, para manipulação de luz e para respostas mecânicas desejadas. + Explorar mais

Construindo nanomateriais 3D resistentes com DNA