Para ilmuwan telah mengembangkan platform untuk merakit komponen material berukuran nano, atau "objek nano," dari berbagai jenis — anorganik atau organik — menjadi struktur 3-D yang diinginkan. Meskipun perakitan mandiri (SA) telah berhasil digunakan untuk mengatur berbagai jenis nanomaterial, prosesnya sangat spesifik terhadap sistem, menghasilkan struktur yang berbeda berdasarkan sifat intrinsik material. Seperti yang dilaporkan dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di Nature Materials, platform nanofabrikasi yang dapat diprogram DNA baru mereka dapat diterapkan untuk mengatur berbagai material 3-D dengan cara yang ditentukan sama pada skala nano (sepersejuta meter), di mana sifat optik, kimia, dan sifat lainnya yang unik muncul.
“Salah satu alasan utama mengapa SA bukan teknik pilihan untuk aplikasi praktis adalah karena proses SA yang sama tidak dapat diterapkan di berbagai macam material untuk menciptakan susunan 3-D yang identik dari nanokomponen yang berbeda,” jelas penulis korespondensi Oleg Gang, pemimpin Soft and Bio Nanomaterials Group di Center for Functional Nanomaterials (CFN) — Fasilitas Pengguna Kantor Sains Departemen Energi AS (DOE) di Laboratorium Nasional Brookhaven — dan seorang profesor Teknik Kimia serta Fisika Terapan dan Ilmu Material di Columbia Engineering. “Di sini, kami memisahkan proses SA dari sifat material dengan merancang kerangka DNA polihedral kaku yang dapat membungkus berbagai objek nano anorganik atau organik, termasuk logam, semikonduktor, dan bahkan protein dan enzim.”
Para ilmuwan merekayasa kerangka DNA sintetis dalam bentuk kubus, oktahedron, dan tetrahedron. Di dalam kerangka tersebut terdapat "lengan" DNA yang hanya dapat diikat oleh objek nano dengan urutan DNA komplementer. Voksel material ini — integrasi kerangka DNA dan objek nano — merupakan blok penyusun yang dapat digunakan untuk membuat struktur 3-D skala makro. Kerangka tersebut terhubung satu sama lain tanpa mempedulikan jenis objek nano apa yang ada di dalamnya (atau tidak) menurut urutan komplementer yang dikodekan pada titik sudutnya. Bergantung pada bentuknya, kerangka memiliki jumlah titik sudut yang berbeda dan dengan demikian membentuk struktur yang sama sekali berbeda. Objek nano apa pun yang dihosting di dalam kerangka tersebut menggunakan struktur kerangka tertentu tersebut.
Untuk menunjukkan pendekatan perakitan mereka, para ilmuwan memilih nanopartikel metalik (emas) dan semikonduktor (kadmium selenida) dan protein bakteri (streptavidin) sebagai objek nano anorganik dan organik yang akan ditempatkan di dalam kerangka DNA. Pertama, mereka mengonfirmasi integritas kerangka DNA dan pembentukan voksel material melalui pencitraan menggunakan mikroskop elektron di Fasilitas Mikroskopi Elektron CFN dan Institut Van Andel, yang memiliki serangkaian instrumen yang beroperasi pada suhu kriogenik untuk sampel biologis. Mereka kemudian menyelidiki struktur kisi 3-D pada garis sinar Coherent Hard X-ray Scattering dan Complex Materials Scattering dari National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) — Fasilitas Pengguna Kantor Sains DOE lainnya di Brookhaven Lab. Profesor Teknik Kimia Bykhovsky dari Columbia Engineering, Sanat Kumar dan kelompoknya melakukan pemodelan komputasional yang mengungkap bahwa struktur kisi yang diamati secara eksperimen (berdasarkan pola hamburan sinar-X) adalah yang paling stabil secara termodinamika yang dapat dibentuk oleh voksel material.
“Voksel material ini memungkinkan kita untuk mulai menggunakan ide-ide yang berasal dari atom (dan molekul) serta kristal yang mereka bentuk, dan memindahkan pengetahuan dan basis data yang luas ini ke sistem yang diminati pada skala nano,” jelas Kumar.
Para mahasiswa Gang di Columbia kemudian menunjukkan bagaimana platform perakitan dapat digunakan untuk mendorong pengorganisasian dua jenis material yang berbeda dengan fungsi kimia dan optik. Dalam satu kasus, mereka merakit dua enzim secara bersama-sama, menciptakan susunan 3-D dengan kepadatan pengepakan yang tinggi. Meskipun enzim tetap tidak berubah secara kimia, enzim tersebut menunjukkan peningkatan sekitar empat kali lipat dalam aktivitas enzimatik. "Nanoreaktor" ini dapat digunakan untuk memanipulasi reaksi kaskade dan memungkinkan fabrikasi material yang aktif secara kimia. Untuk demonstrasi material optik, mereka mencampur dua warna titik kuantum yang berbeda — nanokristal kecil yang digunakan untuk membuat tampilan televisi dengan saturasi warna dan kecerahan yang tinggi. Gambar yang diambil dengan mikroskop fluoresensi menunjukkan bahwa kisi yang terbentuk mempertahankan kemurnian warna di bawah batas difraksi (panjang gelombang) cahaya; properti ini dapat memungkinkan peningkatan resolusi yang signifikan dalam berbagai teknologi tampilan dan komunikasi optik.
“Kita perlu memikirkan kembali bagaimana material dapat dibentuk dan bagaimana fungsinya,” kata Gang. “Desain ulang material mungkin tidak diperlukan; cukup dengan mengemas material yang sudah ada dengan cara baru dapat meningkatkan sifatnya. Secara potensial, platform kami dapat menjadi teknologi yang memungkinkan 'melampaui manufaktur pencetakan 3-D' untuk mengendalikan material pada skala yang jauh lebih kecil dan dengan variasi material yang lebih besar serta komposisi yang dirancang. Menggunakan pendekatan yang sama untuk membentuk kisi 3-D dari objek nano yang diinginkan dari kelas material yang berbeda, mengintegrasikan objek yang sebelumnya dianggap tidak kompatibel, dapat merevolusi nanomanufaktur.”
Materi disediakan oleh DOE/Laboratorium Nasional Brookhaven. Catatan: Konten dapat diedit berdasarkan gaya dan panjang.
Dapatkan berita sains terbaru dengan buletin email gratis ScienceDaily, yang diperbarui setiap hari dan setiap minggu. Atau lihat umpan berita yang diperbarui setiap jam di pembaca RSS Anda:
Beri tahu kami pendapat Anda tentang ScienceDaily — kami menerima komentar positif dan negatif. Ada masalah saat menggunakan situs ini? Ada pertanyaan?
Waktu posting: 04-Jul-2022