वैज्ञानिकों ने नैनो आकार के भौतिक घटकों, या "नैनो-ऑब्जेक्ट्स" को बहुत अलग प्रकार के - अकार्बनिक या कार्बनिक - वांछित 3-डी संरचनाओं में इकट्ठा करने के लिए एक प्लेटफ़ॉर्म विकसित किया है। हालाँकि स्व-संयोजन (SA) का उपयोग कई प्रकार के नैनोमटेरियल को व्यवस्थित करने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है, लेकिन यह प्रक्रिया अत्यंत प्रणाली-विशिष्ट रही है, जो सामग्रियों के आंतरिक गुणों के आधार पर विभिन्न संरचनाएँ उत्पन्न करती है। नेचर मैटेरियल्स में आज प्रकाशित एक पेपर में बताया गया है कि उनके नए डीएनए-प्रोग्रामेबल नैनोफैब्रिकेशन प्लेटफ़ॉर्म को नैनोस्केल (मीटर का अरबवाँ हिस्सा) पर एक ही निर्धारित तरीके से विभिन्न 3-डी सामग्रियों को व्यवस्थित करने के लिए लागू किया जा सकता है, जहाँ अद्वितीय ऑप्टिकल, रासायनिक और अन्य गुण उभर कर आते हैं।
"एसए व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा तकनीक नहीं है, इसका एक मुख्य कारण यह है कि एक ही एसए प्रक्रिया को विभिन्न नैनो घटकों से समान 3-डी क्रमबद्ध सरणी बनाने के लिए सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में लागू नहीं किया जा सकता है," संबंधित लेखक ओलेग गैंग ने समझाया, जो सेंटर फॉर फंक्शनल नैनोमटेरियल्स (सीएफएन) में सॉफ्ट एंड बायो नैनोमटेरियल्स ग्रुप के नेता हैं - ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी (डीओई) ऑफिस ऑफ साइंस यूजर फैसिलिटी - और कोलंबिया इंजीनियरिंग में केमिकल इंजीनियरिंग और एप्लाइड फिजिक्स एंड मैटेरियल्स साइंस के प्रोफेसर हैं। "यहां, हमने कठोर पॉलीहेड्रल डीएनए फ्रेम डिजाइन करके एसए प्रक्रिया को सामग्री गुणों से अलग कर दिया है जो धातुओं, अर्धचालकों और यहां तक कि प्रोटीन और एंजाइमों सहित विभिन्न अकार्बनिक या कार्बनिक नैनो-ऑब्जेक्ट्स को समाहित कर सकते हैं।"
वैज्ञानिकों ने घन, अष्टफलक और चतुष्फलक के आकार में कृत्रिम डीएनए फ्रेम तैयार किए हैं। फ्रेम के अंदर डीएनए "हाथ" होते हैं, जिनसे केवल पूरक डीएनए अनुक्रम वाले नैनो-ऑब्जेक्ट ही जुड़ सकते हैं। ये मटेरियल वॉक्सल - डीएनए फ्रेम और नैनो-ऑब्जेक्ट का एकीकरण - बिल्डिंग ब्लॉक हैं, जिनसे मैक्रोस्केल 3-डी संरचनाएं बनाई जा सकती हैं। फ्रेम एक दूसरे से इस बात की परवाह किए बिना जुड़ते हैं कि अंदर किस तरह की नैनो-ऑब्जेक्ट है (या नहीं) उनके कोने पर उनके पूरक अनुक्रमों के अनुसार। उनके आकार के आधार पर, फ्रेम में अलग-अलग संख्या में कोने होते हैं और इस प्रकार पूरी तरह से अलग संरचनाएं बनती हैं। फ्रेम के अंदर होस्ट की गई कोई भी नैनो-ऑब्जेक्ट उस विशिष्ट फ्रेम संरचना को अपना लेती है।
अपने संयोजन दृष्टिकोण को प्रदर्शित करने के लिए, वैज्ञानिकों ने धातु (सोना) और अर्धचालक (कैडमियम सेलेनाइड) नैनोकणों और एक जीवाणु प्रोटीन (स्ट्रेप्टाविडिन) को अकार्बनिक और कार्बनिक नैनो-ऑब्जेक्ट के रूप में चुना, जिन्हें डीएनए फ्रेम के अंदर रखा जाना था। सबसे पहले, उन्होंने सीएफएन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सुविधा और वैन एंडेल इंस्टीट्यूट में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ इमेजिंग द्वारा डीएनए फ्रेम की अखंडता और सामग्री वॉक्सल के गठन की पुष्टि की, जिसमें जैविक नमूनों के लिए क्रायोजेनिक तापमान पर काम करने वाले उपकरणों का एक सेट है। फिर उन्होंने ब्रुकहेवन लैब में एक और डीओई ऑफिस ऑफ साइंस यूजर फैसिलिटी - नेशनल सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स II (NSLS-II) के सुसंगत हार्ड एक्स-रे स्कैटरिंग और कॉम्प्लेक्स मटीरियल स्कैटरिंग बीमलाइन पर 3-डी जाली संरचनाओं की जांच की। कोलंबिया इंजीनियरिंग के केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर बायखोवस्की सनत कुमार और उनके समूह ने कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग का प्रदर्शन किया, जिसमें पता चला कि प्रयोगात्मक रूप से देखी गई जाली संरचनाएं (एक्स-रे बिखराव पैटर्न के आधार पर) सबसे अधिक ऊष्मागतिकी रूप से स्थिर थीं, जिन्हें पदार्थ वॉक्सल बना सकते थे।
कुमार ने बताया, "ये भौतिक वॉक्सल हमें परमाणुओं (और अणुओं) और उनके द्वारा निर्मित क्रिस्टलों से प्राप्त विचारों का उपयोग करने की अनुमति देते हैं, तथा इस विशाल ज्ञान और डेटाबेस को नैनोस्केल पर रुचिकर प्रणालियों तक पहुंचाते हैं।"
कोलंबिया में गैंग के छात्रों ने तब प्रदर्शित किया कि असेंबली प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग रासायनिक और ऑप्टिकल कार्यों के साथ दो अलग-अलग प्रकार की सामग्रियों के संगठन को चलाने के लिए कैसे किया जा सकता है। एक मामले में, उन्होंने दो एंजाइमों को एक साथ जोड़ा, जिससे उच्च पैकिंग घनत्व के साथ 3-डी सरणियाँ बनाई गईं। हालाँकि एंजाइम रासायनिक रूप से अपरिवर्तित रहे, लेकिन उन्होंने एंजाइमेटिक गतिविधि में लगभग चार गुना वृद्धि दिखाई। इन "नैनोरिएक्टरों" का उपयोग कैस्केड प्रतिक्रियाओं में हेरफेर करने और रासायनिक रूप से सक्रिय सामग्रियों 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 जिनका उपयोग उच्च रंग संतृप्ति और चमक के साथ टेलीविजन डिस्प्ले बनाने के लिए किया जा रहा है। फ्लोरोसेंस माइक्रोस्कोप से कैप्चर की गई छवियों से पता चला कि गठित जाली ने प्रकाश की विवर्तन सीमा (तरंग दैर्ध्य) के नीचे रंग की शुद्धता बनाए रखी; यह गुण विभिन्न डिस्प्ले और ऑप्टिकल संचार प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण रिज़ॉल्यूशन सुधार की अनुमति दे सकता है।
गैंग ने कहा, "हमें इस बात पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता है कि सामग्री कैसे बनाई जा सकती है और वे कैसे काम करती हैं।" "सामग्री को फिर से डिज़ाइन करना आवश्यक नहीं हो सकता है; मौजूदा सामग्रियों को नए तरीकों से पैक करने से उनके गुणों में वृद्धि हो सकती है। संभावित रूप से, हमारा प्लेटफ़ॉर्म '3-डी प्रिंटिंग विनिर्माण से परे' एक सक्षम तकनीक हो सकती है, जो बहुत छोटे पैमाने पर और अधिक सामग्री विविधता और डिज़ाइन की गई रचनाओं के साथ सामग्रियों को नियंत्रित कर सकती है। विभिन्न सामग्री वर्गों की वांछित नैनो-वस्तुओं से 3-डी जाली बनाने के लिए उसी दृष्टिकोण का उपयोग करना, उन लोगों को एकीकृत करना जिन्हें अन्यथा असंगत माना जाएगा, नैनोमैन्युफैक्चरिंग में क्रांति ला सकता है।"
सामग्री DOE/ब्रूकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा प्रदान की गई। नोट: सामग्री को शैली और लंबाई के लिए संपादित किया जा सकता है।
साइंसडेली के मुफ़्त ईमेल न्यूज़लेटर्स से विज्ञान से जुड़ी ताज़ा खबरें पाएँ, जो रोज़ाना और हर हफ़्ते अपडेट होते हैं। या अपने RSS रीडर में हर घंटे अपडेट होने वाले न्यूज़फ़ीड देखें:
हमें बताएं कि साइंसडेली के बारे में आप क्या सोचते हैं — हम सकारात्मक और नकारात्मक दोनों तरह की टिप्पणियों का स्वागत करते हैं। साइट का उपयोग करने में कोई समस्या है? प्रश्न?
पोस्ट करने का समय: जुलाई-04-2022