Mae gwyddonwyr wedi datblygu platfform ar gyfer cydosod cydrannau deunydd nanosized, neu “nano-wrthrychau,” o fathau gwahanol iawn — anorganig neu organig — yn strwythurau 3-D dymunol. Er bod hunan-gydosod (SA) wedi cael ei ddefnyddio'n llwyddiannus i drefnu nanoddeunyddiau o sawl math, mae'r broses wedi bod yn hynod benodol i'r system, gan gynhyrchu gwahanol strwythurau yn seiliedig ar briodweddau cynhenid y deunyddiau. Fel yr adroddwyd mewn papur a gyhoeddwyd heddiw yn Nature Materials, gellir cymhwyso eu platfform nanofabrication rhaglennadwy DNA newydd i drefnu amrywiaeth o ddeunyddiau 3-D yn yr un ffyrdd rhagnodedig ar y nanosgâl (biliynfedau o fetr), lle mae priodweddau optegol, cemegol, a phriodweddau unigryw eraill yn dod i'r amlwg.
“Un o’r prif resymau pam nad yw SA yn dechneg o ddewis ar gyfer cymwysiadau ymarferol yw na ellir cymhwyso’r un broses SA ar draws ystod eang o ddefnyddiau i greu araeau trefnus 3-D union yr un fath o wahanol nano-gydrannau,” eglurodd yr awdur cyfatebol Oleg Gang, arweinydd y Grŵp Nanoddeunyddion Meddal a Bio yng Nghanolfan Nanoddeunyddion Swyddogaethol (CFN) — Cyfleuster Defnyddwyr Swyddfa Gwyddoniaeth Adran Ynni’r Unol Daleithiau (DOE) yn Labordy Cenedlaethol Brookhaven — ac athro Peirianneg Gemegol a Ffiseg Gymhwysol a Gwyddor Deunyddiau yn Columbia Engineering. “Yma, fe wnaethom ddatgysylltu’r broses SA oddi wrth briodweddau deunydd trwy ddylunio fframiau DNA polyhedrol anhyblyg a all amgáu amrywiol nano-wrthrychau anorganig neu organig, gan gynnwys metelau, lled-ddargludyddion, a hyd yn oed proteinau ac ensymau.”
Peiriannodd y gwyddonwyr fframiau DNA synthetig ar siâp ciwb, octahedron, a thetrahedron. Y tu mewn i'r fframiau mae "breichiau" DNA na all ond nano-wrthrychau gyda'r dilyniant DNA cyflenwol rwymo iddynt. Y focseli deunydd hyn - integreiddio'r ffrâm DNA a'r nano-wrthrych - yw'r blociau adeiladu y gellir gwneud strwythurau 3-D macrosgâl ohonynt. Mae'r fframiau'n cysylltu â'i gilydd waeth pa fath o nano-wrthrych sydd y tu mewn (neu beidio) yn ôl y dilyniannau cyflenwol y maent wedi'u hamgodio â nhw yn eu fertigau. Yn dibynnu ar eu siâp, mae gan fframiau nifer gwahanol o fertigau ac felly'n ffurfio strwythurau hollol wahanol. Mae unrhyw nano-wrthrychau sydd wedi'u cynnal y tu mewn i'r fframiau yn cymryd ar y strwythur ffrâm penodol hwnnw.
I ddangos eu dull cydosod, dewisodd y gwyddonwyr nanoronynnau metelaidd (aur) a lled-ddargludol (cadmiwm selenid) a phrotein bacteriol (streptavidin) fel y nano-wrthrychau anorganig ac organig i'w gosod y tu mewn i'r fframiau DNA. Yn gyntaf, fe wnaethant gadarnhau cyfanrwydd fframiau'r DNA a ffurfio foxelau deunydd trwy ddelweddu â microsgopau electron yng Nghyfleuster Microsgopeg Electron CFN a Sefydliad Van Andel, sydd â chyfres o offerynnau sy'n gweithredu ar dymheredd cryogenig ar gyfer samplau biolegol. Yna fe wnaethant brofi'r strwythurau dellt 3-D yn llinellau trawst Gwasgariad Pelydr-X Caled Cydlynol a Gwasgariad Deunyddiau Cymhleth y Ffynhonnell Golau Synchrotron Genedlaethol II (NSLS-II) - Cyfleuster Defnyddiwr Swyddfa Wyddoniaeth DOE arall yn Lab Brookhaven. Cynhaliodd yr Athro Peirianneg Gemegol Bykhovsky o Columbia Engineering, Sanat Kumar, a'i grŵp fodelu cyfrifiadurol gan ddatgelu mai'r strwythurau dellt a arsylwyd yn arbrofol (yn seiliedig ar y patrymau gwasgariad pelydr-x) oedd y rhai mwyaf sefydlog yn thermodynamig y gallai'r foxelau deunydd eu ffurfio.
“Mae’r focseli deunydd hyn yn caniatáu inni ddechrau defnyddio syniadau sy’n deillio o atomau (a moleciwlau) a’r crisialau maen nhw’n eu ffurfio, a chludo’r wybodaeth a’r gronfa ddata helaeth hon i systemau o ddiddordeb ar y nanosgâl,” eglurodd Kumar.
Yna dangosodd myfyrwyr Gang yn Columbia sut y gellid defnyddio'r platfform cydosod i yrru trefniadaeth dau fath gwahanol o ddeunyddiau â swyddogaethau cemegol ac optegol. Mewn un achos, fe wnaethant gydosod dau ensym, gan greu araeau 3-D gyda dwysedd pacio uchel. Er bod yr ensymau wedi aros yr un fath yn gemegol, dangosasant gynnydd o tua phedair gwaith mewn gweithgaredd ensymatig. Gellid defnyddio'r "nano-adweithyddion" hyn i drin adweithiau rhaeadru a galluogi cynhyrchu deunyddiau cemegol weithredol. Ar gyfer yr arddangosiad deunydd optegol, fe wnaethant gymysgu dau liw gwahanol o ddotiau cwantwm - nanogrisialau bach sy'n cael eu defnyddio i wneud arddangosfeydd teledu gyda dirlawnder lliw a disgleirdeb uchel. Dangosodd delweddau a ddaliwyd gyda microsgop fflwroleuol fod y dellt a ffurfiwyd yn cynnal purdeb lliw islaw terfyn diffractiad (tonfedd) golau; gallai'r eiddo hwn ganiatáu gwelliant sylweddol mewn datrysiad mewn amrywiol dechnolegau arddangos a chyfathrebu optegol.
“Mae angen i ni ailfeddwl sut y gellir ffurfio deunyddiau a sut maen nhw’n gweithredu,” meddai Gang. “Efallai na fydd angen ailgynllunio deunyddiau; gallai pecynnu deunyddiau presennol mewn ffyrdd newydd wella eu priodweddau. O bosibl, gallai ein platfform fod yn dechnoleg alluogi ‘y tu hwnt i weithgynhyrchu argraffu 3-D’ i reoli deunyddiau ar raddfeydd llawer llai a chyda mwy o amrywiaeth o ddeunyddiau a chyfansoddiadau wedi’u dylunio. Gallai defnyddio’r un dull i ffurfio delltiau 3-D o nano-wrthrychau dymunol o wahanol ddosbarthiadau deunyddiau, gan integreiddio’r rhai a fyddai fel arall yn cael eu hystyried yn anghydnaws, chwyldroi nanoweithgynhyrchu.”
Deunyddiau a ddarparwyd gan yr Adran Addysg/Labordy Cenedlaethol Brookhaven. Nodyn: Gall y cynnwys gael ei olygu o ran arddull a hyd.
Derbyniwch y newyddion gwyddoniaeth diweddaraf gyda chylchlythyrau e-bost am ddim ScienceDaily, sy'n cael eu diweddaru'n ddyddiol ac yn wythnosol. Neu gweler y newyddion diweddaraf bob awr yn eich darllenydd RSS:
Dywedwch wrthym beth yw eich barn am ScienceDaily — rydym yn croesawu sylwadau cadarnhaol a negyddol. Oes gennych unrhyw broblemau wrth ddefnyddio'r wefan? Cwestiynau?
Amser postio: Gorff-04-2022