इच्छा की नैनो-ऑब्जेक्ट्स: ऑर्डर किए गए नैनोस्ट्रक्चर को 3डी में असेंबल करना - साइंसडेली

वैज्ञानिकों ने नैनो आकार के भौतिक घटकों, या बहुत अलग प्रकार की "नैनो-ऑब्जेक्ट्स" - अकार्बनिक या कार्बनिक - को वांछित 3-डी संरचनाओं में इकट्ठा करने के लिए एक मंच विकसित किया है। यद्यपि स्व-संयोजन (एसए) का उपयोग कई प्रकार की नैनोमटेरियल्स को व्यवस्थित करने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है, यह प्रक्रिया बेहद सिस्टम-विशिष्ट रही है, जो सामग्रियों के आंतरिक गुणों के आधार पर विभिन्न संरचनाओं का निर्माण करती है। जैसा कि नेचर मटेरियल्स में आज प्रकाशित एक पेपर में बताया गया है, उनके नए डीएनए-प्रोग्रामेबल नैनोफैब्रिकेशन प्लेटफॉर्म को नैनोस्केल (एक मीटर के अरबवें हिस्से) पर एक ही निर्धारित तरीके से विभिन्न 3-डी सामग्रियों को व्यवस्थित करने के लिए लागू किया जा सकता है, जहां अद्वितीय ऑप्टिकल, रासायनिक , और अन्य गुण उभर कर सामने आते हैं।

संबंधित लेखक ओलेग गैंग ने बताया, "व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एसए पसंदीदा तकनीक नहीं होने का एक प्रमुख कारण यह है कि एक ही एसए प्रक्रिया को विभिन्न नैनो घटकों से समान 3-डी ऑर्डर किए गए सरणी बनाने के लिए सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में लागू नहीं किया जा सकता है।" , सेंटर फॉर फंक्शनल नैनोमटेरियल्स (सीएफएन) में सॉफ्ट एंड बायो नैनोमटेरियल्स ग्रुप के नेता - ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी में अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा कार्यालय - और केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और कोलंबिया इंजीनियरिंग में अनुप्रयुक्त भौतिकी और सामग्री विज्ञान। "यहां, हमने कठोर पॉलीहेड्रल डीएनए फ्रेम डिजाइन करके एसए प्रक्रिया को भौतिक गुणों से अलग कर दिया है जो धातु, अर्धचालक और यहां तक ​​​​कि प्रोटीन और एंजाइमों सहित विभिन्न अकार्बनिक या कार्बनिक नैनो-वस्तुओं को समाहित कर सकता है।"

वैज्ञानिकों ने क्यूब, ऑक्टाहेड्रोन और टेट्राहेड्रोन के आकार में सिंथेटिक डीएनए फ्रेम तैयार किए। फ़्रेम के अंदर डीएनए "हथियार" हैं जिनसे केवल पूरक डीएनए अनुक्रम वाले नैनो-ऑब्जेक्ट ही जुड़ सकते हैं। ये सामग्री स्वर - 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 अंदर किसी भी प्रकार की नैनो-ऑब्जेक्ट हो (या नहीं) पूरक अनुक्रमों के अनुसार वे अपने शीर्ष पर एन्कोड किए गए हैं। उनके आकार के आधार पर, फ़्रेम में अलग-अलग संख्या में कोने होते हैं और इस प्रकार पूरी तरह से अलग संरचनाएं बनती हैं। फ़्रेम के अंदर होस्ट की गई कोई भी नैनो-ऑब्जेक्ट उस विशिष्ट फ़्रेम संरचना पर आधारित होती है।

अपने असेंबली दृष्टिकोण को प्रदर्शित करने के लिए, वैज्ञानिकों ने डीएनए फ्रेम के अंदर रखे जाने वाले अकार्बनिक और कार्बनिक नैनो-ऑब्जेक्ट्स के रूप में धातु (सोना) और अर्धचालक (कैडमियम सेलेनाइड) नैनोकणों और एक जीवाणु प्रोटीन (स्ट्रेप्टाविडिन) का चयन किया। सबसे पहले, उन्होंने सीएफएन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सुविधा और वैन एंडेल इंस्टीट्यूट में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ इमेजिंग द्वारा डीएनए फ्रेम की अखंडता और सामग्री स्वरों के गठन की पुष्टि की, जिसमें उपकरणों का एक सूट है जो जैविक नमूनों के लिए क्रायोजेनिक तापमान पर काम करता है। फिर उन्होंने नेशनल सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स II (एनएसएलएस-II) के सुसंगत हार्ड एक्स-रे स्कैटरिंग और कॉम्प्लेक्स मैटेरियल्स स्कैटरिंग बीमलाइन पर 3-डी जाली संरचनाओं की जांच की - ब्रुकहेवन लैब में विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा का एक और डीओई कार्यालय। कोलंबिया इंजीनियरिंग ब्यखोवस्की केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर सनत कुमार और उनके समूह ने कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग का प्रदर्शन किया जिससे पता चला कि प्रयोगात्मक रूप से देखी गई जाली संरचनाएं (एक्स-रे बिखरने वाले पैटर्न के आधार पर) सबसे थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर थीं जो सामग्री स्वर बना सकती थीं।

कुमार ने बताया, "ये सामग्री स्वर हमें परमाणुओं (और अणुओं) और उनके द्वारा बनाए गए क्रिस्टल से प्राप्त विचारों का उपयोग शुरू करने और इस विशाल ज्ञान और डेटाबेस को नैनोस्केल में रुचि की प्रणालियों में पोर्ट करने की अनुमति देते हैं।"

कोलंबिया में गैंग के छात्रों ने तब प्रदर्शित किया कि कैसे रासायनिक और ऑप्टिकल कार्यों के साथ दो अलग-अलग प्रकार की सामग्रियों के संगठन को चलाने के लिए असेंबली प्लेटफॉर्म का उपयोग किया जा सकता है। एक मामले में, उन्होंने दो एंजाइमों को सह-संयोजन किया, जिससे उच्च पैकिंग घनत्व के साथ 3-डी सारणी बनाई गई। यद्यपि एंजाइम रासायनिक रूप से अपरिवर्तित रहे, उन्होंने एंजाइमेटिक गतिविधि में लगभग चार गुना वृद्धि देखी। इन "नैनोरिएक्टर" 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। प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोप से ली गई छवियों से पता चला कि गठित जाली ने प्रकाश की विवर्तन सीमा (तरंग दैर्ध्य) के नीचे रंग की शुद्धता बनाए रखी; यह संपत्ति विभिन्न डिस्प्ले और ऑप्टिकल संचार प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण रिज़ॉल्यूशन सुधार की अनुमति दे सकती है।

गैंग ने कहा, "हमें इस बात पर पुनर्विचार करने की जरूरत है कि सामग्री कैसे बनाई जा सकती है और वे कैसे काम करती हैं।" “सामग्री का नया डिज़ाइन आवश्यक नहीं हो सकता है; बस मौजूदा सामग्रियों को नए तरीकों से पैकेजिंग करने से उनके गुणों में वृद्धि हो सकती है। संभावित रूप से, हमारा प्लेटफ़ॉर्म बहुत छोटे पैमाने पर और अधिक सामग्री विविधता और डिज़ाइन की गई रचनाओं के साथ सामग्रियों को नियंत्रित करने के लिए '3-डी प्रिंटिंग विनिर्माण से परे' एक सक्षम तकनीक हो सकता है। विभिन्न सामग्री वर्गों के वांछित नैनो-ऑब्जेक्ट्स से 3-डी लैटिस बनाने के लिए एक ही दृष्टिकोण का उपयोग करना, जिन्हें अन्यथा असंगत माना जाएगा, उन्हें एकीकृत करने से नैनो निर्माण में क्रांति आ सकती है।

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

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