211service.com
Uzlabotu materiālu programmēšana
1996. gadā IBM un Ziemeļrietumu universitātes zinātnieki izmantoja vienpavedienu DNS tā, it kā tā būtu molekulāra Velcro, lai programmētu nanodaļiņu pašsavienošanos vienkāršās struktūrās. Šis darbs palīdzēja uzsākt tobrīd topošo nanotehnoloģiju jomu, ierosinot iespēju veidot jaunus materiālus no apakšas uz augšu. Divpadsmit gadus vēlāk pētnieki no Northwestern un Brookhaven National Laboratory ziņo atsevišķi žurnālā Daba ka viņi beidzot ir pildījuši šo solījumu, izmantojot DNS linkerus, lai nanodaļiņas pārveidotu par perfektiem kristāliem, kas satur līdz pat vienam miljonam daļiņu.
Pasūtīts nano pasūtījums: Zelta nanodaļiņām pievienotās DNS sekvences (augšējais attēls) programmē daļiņu pašsavienošanos jaunos kristālos (apakšējais attēls). Rentgenstaru difrakcija apstiprina, ka kristāli, kurus daļēji saspieda elektronu mikroskopija, kas radīja šos attēlus, ir ideāls režģis, kas sastāv no desmitiem tūkstošu daļiņu.
Kristāla struktūras ir apzināti izstrādātas, saka Northwestern's Čads Mirkins , viens no materiālu zinātniekiem, kurš 90. gados bija DNS saistīšanas aizsācējs, un viena no šodienas ziņojumiem līdzautors. Šis ir jauns veids, kā padarīt lietas.
Ohaio štata universitātes fiziķis Deivids Struds darbu sauc par diezgan vērtīgu. Viņš prognozē, ka izrāviens ļaus montēt jaunus materiālus ar jaunām optiskām, elektroniskām vai magnētiskām īpašībām, kas līdz šim pastāvējušas tikai materiālu zinātnieku prātos un modeļos. Pat tagad esmu pārsteigts, ka viņi to varēja izdarīt, saka Strūds.
Līdz šim centieni ieprogrammēt nanodaļiņu pašsavienošanos trīs dimensijās ir radījuši galvenokārt nesakārtotus gabaliņus. Šiem klučiem var būt vērtība; Patiešām, Mirkina starta uzņēmums NanoSphere ir izmantojis tehnoloģiju, lai izstrādātu medicīnisko diagnostiku, ko apstiprinājusi Pārtikas un zāļu pārvalde.
Bet sarežģītākiem un eksotiskākiem materiāliem, ko iedomājies Strūds un citi, ir vajadzīgas sakārtotas struktūras. Strūds saka, ka pārtraukšana ir tāda, ka nanodaļiņas ir milzīgas salīdzinājumā ar atomiem, kas veido lielāko daļu kristālu. Rezultātā nanodaļiņas pārvietojas salīdzinoši lēni, īpaši ar pievienotām DNS virknēm. Atdzesējot, lai ļautu savstarpēji savienoties komplementārajām DNS daļām, nanodaļiņām ir tendence sastingt nesakārtotā izkārtojumā, pirms tās var atrast ceļu uz sakārtoto kristāla režģi.
Jauno ziņojumu autori – komanda Ziemeļrietumos, kuru vadīja Mirkins un ķīmiķis Džordžs Šacs, un fiziķa Oļega Ganga komanda Brookhaven National Laboratory funkcionālo materiālu centrs , Uptonā, Ņujorkā, pārvarēja daļiņu gausumu, izmantojot garākas DNS pavedienus, kas piešķir daļiņām lielāku elastību kristāla veidošanās laikā. Parasti mēs domājam, ka kristāliskumam ir vajadzīgas ļoti stingras struktūras, tāpēc var iedomāties, ka daļiņām ir jābūt ļoti stingram DNS apvalkam, lai iegūtu labus kristālus, saka Gangs. Patiesībā tas ir otrādi.
Lai gan Ziemeļrietumu un Brūkhavenas sistēmu detaļas atšķiras, abas savas DNS virknes papildina ar sekvencēm, kas darbojas kā starplikas un saliecēji, papildus komplementārām sekvencēm DNS galos, kas saista daļiņas kopā. Grupas sāk, saistot vienu no diviem DNS veidiem ar zelta nanodaļiņām. DNS tipi viens otru papildina. Pēc tam šie divi modificēto daļiņu kopumi tiek sajaukti un atdzesēti. DNS virknes ar komplementāru DNS veido dubulto spirāli, sasaistot to attiecīgās nanodaļiņas, savukārt identiskas DNS virknes darbojas kā atsperes, lai atvairītu to attiecīgās daļiņas. Tikmēr starplikas katrā DNS virknē ļauj saistītajām daļiņām savīties un saliekties, lai katra maisījuma daļiņa varētu saistīt lielāko skaitu komplementāro daļiņu.
Rezultāts ir tieši tāds, kādu paredz teorija: kristāla režģis, kurā katru viena veida daļiņu ieskauj astoņas citas, kas iezīmē kuba stūrus. Mirkina grupa arī pierādīja, ka temperatūras un DNS sekvenču pielāgošana var pamudināt to pašu daļiņu maisījumu, veidojot atšķirīgu kristāla struktūru, kurā katrai daļiņai ir 12 kaimiņi.
Mirkins saka, ka viņš un viņa komanda tikai sāk darbu. Man tas tiešām ir tikai sākums, nevis beigas, viņš saka. Pēdējo trīs gadu laikā Mirkina grupa ir demonstrējusi metodes, kā novietot dažādus DNS linkerus uz dažādām nesfērisku daļiņu virsmām, piemēram, prizmām ar trīsstūrveida virsmu un vīrusu daļiņām. Viņš saka, ka tam vajadzētu ļaut programmēt sarežģītākus materiālus ar atkārtotiem trīs vai vairāku komponentu modeļiem. Patiesi intriģējošā iespēja šeit ir iespēja programmēt veidošanu jebkura struktūru, kuru vēlaties, saka Mirkins.
Strūds saka, ka jau saražotās struktūras būs noderīgas, jo DNS ieprogrammētā montāža tiek attiecināta uz daļiņām, kas nav zelts. Pielietojumi varētu ietvert fotoniskos kristālus, kuros precīza daļiņu periodiskums var noregulēt kopējos materiālus, lai manipulētu ar konkrētiem gaismas viļņu garumiem, un fotoelementus, kas uztver plašāku saules spektra diapazonu.
Struktūras ir ļoti porainas – 10 procenti daļiņu un DNS un 90 procenti ūdens. Tas varētu kavēt lietojumus, kuros ūdens ir nevēlams. Izlejiet ūdeni, un kristāli sabrūk. Gangs saka, ka kristālus varētu stabilizēt, piepildot režģi ar polimēru, taču viņš arī pēta alternatīvas stabilizācijas shēmas, kas saglabātu režģa atvērto telpu.