इच्छा के नैनो-ऑब्जेक्ट: असेंबलिंग ने 3 डी में नैनोस्ट्रक्चर का आदेश दिया-विज्ञान

वैज्ञानिकों ने वांछित 3-डी संरचनाओं में नैनोसाइज्ड सामग्री घटकों, या "नैनो-ऑब्जेक्ट्स" को बहुत अलग प्रकारों-अकार्बनिक या कार्बनिक-को इकट्ठा करने के लिए एक मंच विकसित किया है। हालांकि सेल्फ-असेंबली (एसए) का उपयोग सफलतापूर्वक कई प्रकार के नैनोमैटेरियल्स को व्यवस्थित करने के लिए किया गया है, प्रक्रिया बेहद सिस्टम-विशिष्ट रही है, जो सामग्री के आंतरिक गुणों के आधार पर विभिन्न संरचनाओं को उत्पन्न करती है। जैसा कि प्रकृति सामग्री में आज प्रकाशित एक पेपर में बताया गया है, उनके नए डीएनए-प्रोग्रामेबल नैनोफैब्रिकेशन प्लेटफ़ॉर्म को नैनोस्केल (एक मीटर के अरबों) में एक ही निर्धारित तरीकों से 3-डी सामग्रियों की एक किस्म को व्यवस्थित करने के लिए लागू किया जा सकता है, जहां अद्वितीय ऑप्टिकल, रासायनिक और अन्य गुण उभरते हैं।

"एक प्रमुख कारणों में से एक क्यों SA व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पसंद की एक तकनीक नहीं है, यह है कि एक ही SA प्रक्रिया को अलग-अलग नैनोकंपोनेंट्स से समान 3-डी ऑर्डर किए गए सरणियों को बनाने के लिए सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला में लागू नहीं किया जा सकता है," संगत लेखक ओलेग गैंग, कार्यात्मक नैनोमेट्रिकस के लिए सॉफ्ट एंड बायो नैनोमेट्रायल्स समूह के नेता- और कोलंबिया इंजीनियरिंग में केमिकल इंजीनियरिंग और एप्लाइड फिजिक्स एंड मैटेरियल्स साइंस के प्रोफेसर। "यहाँ, हमने कठोर पॉलीहेड्रल डीएनए फ्रेम को डिजाइन करके भौतिक गुणों से एसए प्रक्रिया को डिकॉउल किया, जो विभिन्न अकार्बनिक या कार्बनिक नैनो-वस्तुओं को घेर सकते हैं, जिनमें धातु, अर्धचालक और यहां तक ​​कि प्रोटीन और एंजाइम शामिल हैं।"

वैज्ञानिकों ने एक क्यूब, ऑक्टाहेड्रॉन और टेट्राहेड्रोन के आकार में सिंथेटिक डीएनए फ्रेम को इंजीनियर किया। फ्रेम के अंदर डीएनए "हथियार" हैं जो पूरक डीएनए अनुक्रम के साथ केवल नैनो-ऑब्जेक्ट्स को बांध सकते हैं। ये सामग्री voxels-डीएनए फ्रेम और नैनो-ऑब्जेक्ट का एकीकरण-बिल्डिंग ब्लॉक हैं जिनसे मैक्रोस्केल 3-डी संरचनाएं बनाई जा सकती हैं। फ्रेम एक-दूसरे से जुड़ते हैं, भले ही वे किस तरह के नैनो-ऑब्जेक्ट के अंदर (या नहीं) हैं, जो कि पूरक अनुक्रमों के अनुसार उनके वर्टिस के साथ एन्कोडेड हैं। उनके आकार के आधार पर, फ्रेम में एक अलग संख्या में वर्टिस होते हैं और इस प्रकार पूरी तरह से अलग संरचनाएं होती हैं। फ्रेम के अंदर होस्ट की गई कोई भी नैनो-ऑब्जेक्ट उस विशिष्ट फ्रेम संरचना पर ले जाते हैं।

अपने विधानसभा दृष्टिकोण को प्रदर्शित करने के लिए, वैज्ञानिकों ने मेटालिक (सोना) और अर्धचालक (कैडमियम सेलेनाइड) नैनोकणों और एक जीवाणु प्रोटीन (स्ट्रेप्टाविडिन) को अकार्बनिक और कार्बनिक नैनो-वस्तुओं के रूप में डीएनए फ्रेम के अंदर रखा गया। सबसे पहले, उन्होंने सीएफएन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सुविधा और वैन एंडल इंस्टीट्यूट में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ इमेजिंग करके डीएनए फ्रेम की अखंडता और सामग्री स्वर के गठन की पुष्टि की, जिसमें जैविक नमूनों के लिए क्रायोजेनिक तापमान पर काम करने वाले उपकरणों का एक सूट है। इसके बाद उन्होंने सुसंगत हार्ड एक्स-रे बिखरने और राष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स II (NSLS-II) के बीमलाइन को बिखरने वाले जटिल सामग्री में 3-डी जाली संरचनाओं की जांच की-ब्रुकहेवन लैब में विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा का एक और डीओई कार्यालय। केमिकल इंजीनियरिंग सनाट कुमार और उनके समूह के कोलंबिया इंजीनियरिंग बायखोव्स्की ने कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग का प्रदर्शन किया, जिसमें बताया गया कि प्रयोगात्मक रूप से देखे गए जाली संरचनाएं (एक्स-रे बिखरने वाले पैटर्न के आधार पर) सबसे अधिक थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर थे जो सामग्री स्वर बन सकते थे।

"ये सामग्री स्वर हमें परमाणुओं (और अणुओं) से प्राप्त विचारों का उपयोग करना शुरू करने की अनुमति देते हैं और वे जो क्रिस्टल बनाते हैं, और इस विशाल ज्ञान और डेटाबेस को नैनोस्केल में ब्याज की प्रणालियों के लिए पोर्ट करते हैं," कुमार ने समझाया।

कोलंबिया में गैंग के छात्रों ने यह प्रदर्शित किया कि कैसे विधानसभा मंच का उपयोग रासायनिक और ऑप्टिकल कार्यों के साथ दो अलग -अलग प्रकार की सामग्रियों के संगठन को चलाने के लिए किया जा सकता है। एक मामले में, उन्होंने दो एंजाइमों का सह-इकट्ठा किया, जो एक उच्च पैकिंग घनत्व के साथ 3-डी सरणियों का निर्माण करता है। हालांकि एंजाइम रासायनिक रूप से अपरिवर्तित रहे, उन्होंने एंजाइमैटिक गतिविधि में चार गुना वृद्धि दिखाई। इन "नैनोरिएक्टर" का उपयोग कैस्केड प्रतिक्रियाओं में हेरफेर करने और रासायनिक रूप से सक्रिय सामग्री के निर्माण को सक्षम करने के लिए किया जा सकता है। ऑप्टिकल सामग्री प्रदर्शन के लिए, उन्होंने क्वांटम डॉट्स के दो अलग -अलग रंगों को मिलाया - छोटे नैनोक्रिस्टल जो उच्च रंग संतृप्ति और चमक के साथ टेलीविजन डिस्प्ले बनाने के लिए उपयोग किए जा रहे हैं। एक प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप के साथ कैप्चर की गई छवियों से पता चला है कि गठित जाली ने प्रकाश की विवर्तन सीमा (तरंग दैर्ध्य) के नीचे रंग शुद्धता को बनाए रखा; यह संपत्ति विभिन्न प्रदर्शन और ऑप्टिकल संचार प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण संकल्प सुधार के लिए अनुमति दे सकती है।

"हमें इस बात पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता है कि कैसे सामग्री का गठन किया जा सकता है और वे कैसे कार्य करते हैं," गैंग ने कहा। “सामग्री रीडिज़ाइन आवश्यक नहीं हो सकता है; बस नए तरीकों से मौजूदा सामग्री पैकेजिंग उनके गुणों को बढ़ा सकती है। संभावित रूप से, हमारा मंच बहुत छोटे पैमानों पर सामग्री को नियंत्रित करने के लिए और अधिक से अधिक भौतिक विविधता और डिज़ाइन की गई रचनाओं के साथ एक सक्षम तकनीक '3-डी प्रिंटिंग मैन्युफैक्चरिंग' से परे एक सक्षम तकनीक हो सकती है। विभिन्न भौतिक वर्गों के वांछित नैनो-ऑब्जेक्ट्स से 3-डी लैटिस बनाने के लिए एक ही दृष्टिकोण का उपयोग करना, उन लोगों को एकीकृत करना जिन्हें अन्यथा असंगत माना जाएगा, नैनोमन्यूडिंग में क्रांति ला सकते हैं। ”

DOE/BROOKHAVEN राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा प्रदान की गई सामग्री। नोट: सामग्री को शैली और लंबाई के लिए संपादित किया जा सकता है।

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