Los científicos han desarrollado una plataforma para ensamblar componentes de materiales de tamaño nanométrico, o "nanoobjetos, "de tipos muy diferentes, inorgánicos u orgánicos, en estructuras 3-D deseadas. Aunque el autoensamblaje (SA) se ha utilizado con éxito para organizar nanomateriales de varios tipos, el proceso ha sido extremadamente específico del sistema, generando diferentes estructuras en función de las propiedades intrínsecas de los materiales. Como se informó en un artículo publicado hoy en Materiales de la naturaleza , su nueva plataforma de nanofabricación programable por ADN se puede aplicar para organizar una variedad de materiales 3-D de las mismas formas prescritas en la nanoescala (mil millonésimas de metro), donde óptica única, químico, y surgen otras propiedades.

"Una de las principales razones por las que SA no es una técnica de elección para aplicaciones prácticas es que el mismo proceso SA no se puede aplicar en una amplia gama de materiales para crear matrices idénticas ordenadas en 3D a partir de diferentes nanocomponentes, "explicó el autor correspondiente Oleg Gang, líder del Grupo de Nanomateriales Blandos y Biológicos en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y profesora de Ingeniería Química y de Física Aplicada y Ciencia de Materiales en Ingeniería de Columbia. "Aquí, desacoplamos el proceso SA de las propiedades del material mediante el diseño de marcos rígidos de ADN poliédricos que pueden encapsular varios nanoobjetos inorgánicos u orgánicos, incluidos los metales, semiconductores, e incluso proteínas y enzimas ".

Los científicos diseñaron marcos de ADN sintético en forma de cubo, octaedro, y tetraedro. Dentro de los marcos hay "brazos" de ADN a los que solo se pueden unir los nanoobjetos con la secuencia de ADN complementaria. Estos vóxeles materiales, la integración del marco de ADN y el nanoobjeto, son los bloques de construcción a partir de los cuales se pueden hacer estructuras tridimensionales a macroescala. Los fotogramas se conectan entre sí independientemente del tipo de nanoobjeto que haya dentro (o no) de acuerdo con las secuencias complementarias con las que están codificados en sus vértices. Dependiendo de su forma, los marcos tienen un número diferente de vértices y, por lo tanto, forman estructuras completamente diferentes. Cualquier nano-objeto alojado dentro de los marcos adquiere esa estructura de marco específica.

Para demostrar su enfoque de montaje, Los científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (oro) y semiconductoras (seleniuro de cadmio) y una proteína bacteriana (estreptavidina) como los nanoobjetos orgánicos e inorgánicos que se colocarían dentro de los marcos de ADN. Primero, confirmaron la integridad de los marcos de ADN y la formación de vóxeles de material mediante imágenes con microscopios electrónicos en la Instalación de Microscopía Electrónica CFN y el Instituto Van Andel, que tiene un conjunto de instrumentos que operan a temperaturas criogénicas para muestras biológicas. Luego probaron las estructuras de celosía 3-D en las líneas de luz de Dispersión Coherente de Rayos X Duros y Dispersión de Materiales Complejos de la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Brookhaven. Sanat Kumar, profesor de ingeniería química de Columbia Engineering Bykhovsky, y su grupo realizaron modelos computacionales que revelaron que las estructuras de celosía observadas experimentalmente (basadas en los patrones de dispersión de rayos X) eran las más termodinámicamente estables que podían formar los vóxeles materiales.

"Estos vóxeles materiales nos permiten comenzar a utilizar ideas derivadas de átomos (y moléculas) y los cristales que forman, y trasladar este vasto conocimiento y base de datos a sistemas de interés a nanoescala, "explicó Kumar.

Los estudiantes de Gang en Columbia luego demostraron cómo la plataforma de ensamblaje podría usarse para impulsar la organización de dos tipos diferentes de materiales con funciones químicas y ópticas. En un caso, co-ensamblaron dos enzimas, creando matrices 3-D con una alta densidad de empaquetamiento. Aunque las enzimas permanecieron químicamente sin cambios, mostraron aproximadamente un aumento de cuatro veces en la actividad enzimática. Estos "nanoreactores" podrían usarse para manipular reacciones en cascada y permitir la fabricación de materiales químicamente activos. Para la demostración del material óptico, mezclaron dos colores diferentes de puntos cuánticos:diminutos nanocristales que se utilizan para hacer pantallas de televisión con alta saturación de color y brillo. Las imágenes capturadas con un microscopio de fluorescencia mostraron que la red formada mantuvo la pureza del color por debajo del límite de difracción (longitud de onda) de la luz; esta propiedad podría permitir una mejora significativa de la resolución en varias tecnologías de comunicación óptica y de visualización.

"Necesitamos repensar cómo se pueden formar los materiales y cómo funcionan, "dijo Gang." El rediseño del material puede no ser necesario; simplemente empaquetar los materiales existentes de nuevas formas podría mejorar sus propiedades. Potencialmente, nuestra plataforma podría ser una tecnología habilitadora 'más allá de la fabricación de impresión 3D' para controlar materiales a escalas mucho más pequeñas y con una mayor variedad de materiales y composiciones diseñadas. Usando el mismo enfoque para formar celosías 3-D a partir de nano-objetos deseados de diferentes clases de materiales, integrando aquellos que de otro modo se considerarían incompatibles, podría revolucionar la nanofabricación ".