Cientistas desenvolveram uma plataforma para montar componentes materiais nanométricos, ou "nanoobjetos", de tipos muito diferentes — inorgânicos ou orgânicos — em estruturas tridimensionais desejadas. Embora a automontagem (AS) tenha sido usada com sucesso para organizar nanomateriais de diversos tipos, o processo tem sido extremamente específico para cada sistema, gerando diferentes estruturas com base nas propriedades intrínsecas dos materiais. Conforme relatado em um artigo publicado hoje na Nature Materials, sua nova plataforma de nanofabricação programável por DNA pode ser aplicada para organizar uma variedade de materiais tridimensionais da mesma forma prescrita na nanoescala (bilionésimos de metro), onde propriedades ópticas, químicas e outras características únicas emergem.
“Uma das principais razões pelas quais a SA não é uma técnica de escolha para aplicações práticas é que o mesmo processo de SA não pode ser aplicado a uma ampla gama de materiais para criar matrizes ordenadas tridimensionais idênticas a partir de diferentes nanocomponentes”, explicou o autor correspondente Oleg Gang, líder do Grupo de Nanomateriais Macios e Biológicos do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) — uma Instalação do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven — e professor de Engenharia Química e de Física Aplicada e Ciência dos Materiais na Columbia Engineering. “Aqui, desacoplamos o processo de SA das propriedades dos materiais, projetando estruturas rígidas de DNA poliédrica que podem encapsular vários nanoobjetos inorgânicos ou orgânicos, incluindo metais, semicondutores e até mesmo proteínas e enzimas.”
Os cientistas projetaram estruturas sintéticas de DNA nos formatos de cubo, octaedro e tetraedro. Dentro das estruturas, existem "braços" de DNA aos quais apenas nanoobjetos com a sequência complementar de DNA podem se ligar. Esses voxels materiais — a integração da estrutura de DNA e do nanoobjeto — são os blocos de construção a partir dos quais estruturas tridimensionais em macroescala podem ser criadas. As estruturas se conectam entre si, independentemente do tipo de nanoobjeto presente (ou não), de acordo com as sequências complementares com as quais são codificadas em seus vértices. Dependendo de sua forma, as estruturas têm um número diferente de vértices e, portanto, formam estruturas completamente diferentes. Quaisquer nanoobjetos hospedados dentro das estruturas assumem essa estrutura específica.
Para demonstrar sua abordagem de montagem, os cientistas selecionaram nanopartículas metálicas (ouro) e semicondutoras (seleneto de cádmio) e uma proteína bacteriana (estreptavidina) como nanoobjetos inorgânicos e orgânicos a serem colocados dentro das estruturas de DNA. Primeiramente, eles confirmaram a integridade das estruturas de DNA e a formação de voxels materiais por meio de imagens com microscópios eletrônicos nas Instalações de Microscopia Eletrônica da CFN e no Instituto Van Andel, que possui um conjunto de instrumentos que operam em temperaturas criogênicas para amostras biológicas. Em seguida, eles sondaram as estruturas de rede 3D nas linhas de luz de Espalhamento de Raios X Duros Coerentes e Espalhamento de Materiais Complexos da Fonte Nacional de Luz Síncrotron II (NSLS-II) — outra Instalação de Usuário do Escritório de Ciências do DOE no Laboratório Brookhaven. O professor de Engenharia Química Bykhovsky da Columbia Engineering, Sanat Kumar, e seu grupo realizaram modelagem computacional revelando que as estruturas de rede observadas experimentalmente (com base nos padrões de espalhamento de raios X) eram as mais termodinamicamente estáveis que os voxels materiais podiam formar.
“Esses voxels materiais nos permitem começar a usar ideias derivadas de átomos (e moléculas) e dos cristais que eles formam, e transportar esse vasto conhecimento e banco de dados para sistemas de interesse na nanoescala”, explicou Kumar.
Os alunos de Gang na Universidade de Columbia demonstraram como a plataforma de montagem poderia ser usada para impulsionar a organização de dois tipos diferentes de materiais com funções químicas e ópticas. Em um caso, eles co-montaram duas enzimas, criando matrizes tridimensionais com alta densidade de empacotamento. Embora as enzimas permanecessem quimicamente inalteradas, elas mostraram um aumento de cerca de quatro vezes na atividade enzimática. Esses "nanorreatores" poderiam ser usados para manipular reações em cascata e permitir a fabricação de materiais quimicamente ativos. Para a demonstração do material óptico, eles misturaram duas cores diferentes de pontos quânticos — minúsculos nanocristais que estão sendo usados para fazer telas de televisão com alta saturação de cor e brilho. Imagens capturadas com um microscópio de fluorescência mostraram que a rede formada manteve a pureza da cor abaixo do limite de difração (comprimento de onda) da luz; essa propriedade pode permitir uma melhoria significativa na resolução em várias tecnologias de exibição e comunicação óptica.
“Precisamos repensar como os materiais podem ser formados e como funcionam”, disse Gang. “O redesenho dos materiais pode não ser necessário; simplesmente empacotar os materiais existentes de novas maneiras poderia aprimorar suas propriedades. Potencialmente, nossa plataforma poderia ser uma tecnologia capacitadora 'além da fabricação por impressão 3D' para controlar materiais em escalas muito menores e com maior variedade de materiais e composições projetadas. Usar a mesma abordagem para formar redes 3D a partir de nanoobjetos desejados de diferentes classes de materiais, integrando aqueles que de outra forma seriam considerados incompatíveis, poderia revolucionar a nanofabricação.”
Materiais fornecidos pelo DOE/Laboratório Nacional de Brookhaven. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e extensão.
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Horário da publicação: 04/07/2022