Автор AZoNano 22 марта 2021 года

В сотрудничестве с Брукхейвенской национальной лабораторией ученые Columbia Engineering недавно сообщили, что они изготовили трехмерные материалы на основе наночастиц, которые могут выдерживать высокое излучение, высокое давление, высокие температуры и вакуум.

Эта новая процедура изготовления приводит к полностью спроектированным и надежным каркасам наноразмеров, которые могут вместить широкий спектр функциональных наночастиц, а также могут быть быстро обработаны с использованием традиционных методов нанопроизводства.

Эти самоорганизующиеся материалы на основе наночастиц настолько эластичны, что могут летать в космосе. Нам удалось перевести трехмерную архитектуру ДНК-наночастиц из жидкого состояния – и из податливого материала – в твердое, где кремнезем усиливает структуры ДНК .

Олег Ганг, профессор кафедры химической инженерии, прикладной физики и материаловедения

Профессор Ганг, который также возглавлял исследовательскую работу, недавно опубликованную в журнале Science Advances добавил: « Этот новый материал полностью сохраняет свою первоначальную каркасную архитектуру решетки наночастиц ДНК, по существу создавая 3D неорганическая копия. Это позволило нам впервые изучить, как эти наноматериалы могут выдерживать суровые условия, как они образуются и каковы их свойства. »

Характеристики материалов, как правило, различаются в нанометровом масштабе, и в течение долгого времени ученые искали способы применения этих малогабаритных материалов, размеры которых в 1000–10 000 раз меньше, чем ширина одной нити. человеческого волоса – в различных приложениях, от разработки более быстрых микросхем для ноутбуков до создания датчиков для телефонов.

Но существующие методы изготовления затрудняют получение трехмерных наноархитектур. Например, ДНК-нанотехнология помогает создавать сложно организованные материалы из наночастиц посредством самосборки, но, учитывая зависящую от окружающей среды и мягкую природу ДНК, эти материалы могут оставаться стабильными только в ограниченном диапазоне условий.

Напротив, недавно разработанные материалы теперь могут использоваться во множестве приложений, требующих инженерных структур.

Хотя традиционное нанофабрикация превосходит, когда дело доходит до производства планарных структур, новая технология, разработанная профессором Гангом, помогает создавать трехмерные наноматериалы, которые, как оказалось, имеют решающее значение для многих энергетических, оптических и электронных приложений.

Профессор Ганг, занимающий совместное назначение руководителем группы мягких и биологических наноматериалов в Центре функциональных наноматериалов в Брукхейвенской национальной лаборатории, находится в авангарде нанотехнологий ДНК, которая зависит от свертывания цепочки ДНК в требуемые 2D. и 3D наноструктуры.

Такие наноструктуры оказываются строительными блоками, которые можно запрограммировать с помощью взаимодействий Уотсона-Крика для самоорганизации в трехмерные архитектуры.

Эти наноструктуры ДНК разработаны и сформированы командой профессора Ганга, комбинируя их с наночастицами и определяя расположение целевых материалов на основе наночастиц.

Теперь, используя новейший метод, исследователи могут изменить эти материалы на основе наночастиц с хрупких и мягких на прочные и твердые.

Этот последний анализ показывает эффективный способ преобразования трехмерных решеток ДНК-наночастиц в копии кремнезема и, в то же время, поддержания целостности сборки наночастиц и топологии межчастичных связей с помощью стоек ДНК.

Кремнезем, как известно, работает хорошо, потому что он создает прочную структуру фундаментальной ДНК, помогает поддерживать наноструктуру исходной решетки ДНК и не влияет на расположение наночастиц.

ДНК в таких решетках приобретает свойства кремнезема. Он становится стабильным на воздухе, его можно сушить, что позволяет впервые проводить трехмерный наноразмерный анализ материала в реальном пространстве. Кроме того, кремнезем обеспечивает прочность и химическую стабильность, он дешев и может быть модифицирован по мере необходимости – это очень удобный материал .

Аарон Михельсон, аспирант Колумбийского университета

Майкельсон работает в группе профессора Ганга.

Чтобы узнать больше о характеристиках этих наноструктур, исследователи подвергли преобразованные наноструктуры решеткам наночастиц ДНК кремнезема неблагоприятным условиям, то есть высоким температурам выше 1000 ° C и высоким механическим напряжениям более 8 ГПа ( В 80 раз больше, чем на самом глубоком участке океана, в Марианской впадине, или примерно в 80 000 раз больше, чем атмосферное давление), и исследовал эти процессы на месте.

Чтобы определить жизнеспособность наноструктур для применений и дополнительных этапов обработки, исследователи также подвергли эти структуры сфокусированным ионным пучкам и высоким дозам радиации.

Наш анализ применимости этих структур в сочетании с традиционными методами нанопроизводства демонстрирует действительно надежную платформу для создания упругих наноматериалов с помощью подходов на основе ДНК для открытия их новых свойств.

Олег Ганг, профессор кафедры химической инженерии, прикладной физики и материаловедения

« Это большой шаг вперед, поскольку эти особые свойства означают, что мы можем использовать нашу сборку 3D наноматериалов и по-прежнему получать доступ ко всему диапазону этапов обработки обычных материалов. Эта интеграция новых и традиционных методов нанопроизводства необходима для достижения успехов в механике, электронике, плазмонике, фотонике, сверхпроводимости и энергетических материалах », – добавил профессор Олег

.

Ассоциации, основанные на исследовании профессора Ганга, уже привели к новой сверхпроводимости и преобразованию кремнезема в полупроводниковую и проводящую среду для дополнительной обработки.

Они включают предыдущий анализ, опубликованный в журнале Nature Communications и один новый анализ, опубликованный в журнале Nano Letters .

Команда также планирует изменить структуру, чтобы создать широкий спектр материалов с очень желательными оптическими и механическими свойствами.

Профессор Ганг добавил: « Компьютеры производятся из кремния более 40 лет. Потребовалось четыре десятилетия, чтобы сократить производство планарных структур и устройств примерно до 10 нм. Теперь мы можем изготавливать и собирать нанообъекты в пробирке за пару часов без дорогостоящих инструментов . Восемь миллиардов соединений в одной решетке теперь могут быть организованы для самосборки с помощью наноразмерных процессов, которые мы можем спроектировать. »

« Каждое соединение может быть транзистором, датчиком или оптическим излучателем – каждое может быть битом данных. В то время как закон Мура замедляется, программируемость подходов к сборке ДНК позволяет нам продвигаться вперед в решении проблем, связанных с новыми материалами и нанопроизводством. Хотя это было чрезвычайно сложно для современных методов, это чрезвычайно важно для новых технологий », – заключил профессор Ганг.

Ссылка на журнал:

Majewski, P. W., и др. . (2021) Гибкие трехмерные упорядоченные архитектуры, собранные из наночастиц с помощью ДНК. Достижения науки . doi.org/10.1126/sciadv.abf0617.

Источник: https://www.engineering.columbia.edu/[19459008visible