Quando o Empire State Constructing foi construído, seus 102 andares subiram acima do centro de uma peça de cada vez, com cada elemento particular person combinando -se para se tornar, por 40 anos, o edifício mais alto do mundo. Uptown em Columbia, Oleg Gang e seu laboratório de engenharia química não estão construindo arquitetura Artwork Deco; Seus pontos de referência são dispositivos incrivelmente pequenos construídos a partir de blocos de construção nanoscópicos que se organizam.
“Podemos construir agora as organizações 3D complexas prescritas a partir de nanocomponentes auto-montados, uma espécie de versão em nanoescala do Empire State Constructing”, disse Gang, professor de engenharia química e ciência da física e materiais aplicados no Tender e líder do Centro de Nanomateriais funcionais.
“Os recursos para fabricar materiais em nanoescala 3D por projeto são críticos para muitas aplicações emergentes, variando de manipulação de luz a computação neuromórfica e de materiais catalíticos a andaimes e reatores biomoleculares”, disse Gang.
Em dois artigos, um lançado em 9 de julho em Materiais naturais e um segundo em 11 de abril no ACS Nano, Gang e seus colegas descrevem uma nova metodologia para fabricar estruturas nanoescala 3D direcionadas por meio de auto-montagem que podem encontrar uso em uma variedade de aplicações e fornecem um algoritmo de design para que outras pessoas sigam o exemplo.
E tudo é baseado nos blocos de construção biomoleculares mais básicos: DNA.
Uma parada de maconha para novos materiais
Quando se trata de fabricação de microeletrônicas em pequena escala, as abordagens convencionais são baseadas em estratégias de cima para baixo. Uma abordagem comum é a fotolitografia, que usa poderosos estênceis de luz e intrincados para os circuitos de gravação. Mas as principais técnicas litográficas lutam com estruturas complexas e tridimensionais, enquanto a fabricação aditiva, mais conhecida como impressão 3D, ainda não pode fabricar recursos na nanoescala. Em termos de fluxo de trabalho, ambos os métodos fabricam cada recurso um por um, em série. Este é um processo intrinsecamente lento para a criação de objetos 3D.
Levando suas dicas de bio-sistemas, a gangue constrói materiais e dispositivos 3D de baixo para cima por meio de processos de auto-montagem que são direcionados pelo DNA. Ele tem refinado seu método por meio de colaborações com outros cientistas para construir, por exemplo, eletrônicos extremamente pequenos necessários para o seu trabalho.
Dois meses atrás, ele e seu ex -aluno, Aaron Michelson, agora cientista da equipe do Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório Nacional de Brookhaven, entregaram um protótipo para colaboradores da Universidade de Minnesota interessados em criar sensores de luz 3D integrados a microchips. Eles construíram os sensores cultivando andaimes de DNA em um chip e depois revestindo-os com materials sensível à luz.
Esse dispositivo foi apenas o primeiro de muitos. Em seu último artigo em Materiais naturaisGang e sua equipe estabelecem uma estratégia de design inverso para criar as estruturas 3D desejadas a partir de um conjunto de componentes e nanopartículas de DNA em nanoescala. O estudo apresenta quatro aplicações adicionais de sua abordagem “DNA origami” ao design de materials: uma estrutura semelhante a cristal composta por cordas unidimensionais e camadas bidimensionais; uma imitação dos materiais encontrados comumente em painéis solares; outro cristal que gira em um redemoinho helicoidal; E, para o colaborador Nanfang Yu, professor de física aplicada da Columbia Engineering, uma estrutura que refletirá a luz de maneiras particulares para seu objetivo de um dia criar um computador óptico.
Utilizando técnicas de caracterização avançada, como métodos de dispersão de raios-X baseados em síncrotron e métodos de microscopia eletrônica, nos Laboratórios Nacionais de Columbia e Brookhaven, a equipe confirmou que as estruturas resultantes correspondiam a seus projetos e revelaram as considerações projetadas para melhorar a fidelidade da estrutura. Cada uma dessas estruturas únicas se montou em poços de água no laboratório de gangues. Esse tipo de formação de materials é paralelo em sua natureza, uma vez que os componentes se reúnem durante o processo de montagem, o que significa economia de tempo e custos significativos para a fabricação 3D em comparação com os métodos tradicionais. O processo de fabricação também é ambientalmente amigável à medida que a montagem ocorre na água.
“Esta é uma plataforma aplicável a muitos materiais com muitas propriedades diferentes: biológico, óptico, elétrico, magnético”, disse Gang. O resultado last depende simplesmente do design.
Design de DNA, facilitado
O DNA se dobra previsivelmente, pois os quatro ácidos nucleicos que o compõem só podem emparelhar em combinações específicas. Mas quando a estrutura desejada contém milhões, se não bilhões de peças, como você cria a sequência inicial correta?
Gang e seus colegas resolvem esse desafio com uma abordagem inversa de projeto estrutural. “Se conhecemos a grande estrutura com a função que queremos criar, podemos dissecar isso em componentes menores para criar nossos blocos de construção com atributos estruturais, de ligação e funcionais necessários para formar a estrutura desejada”, disse Gang.
Os blocos de construção são fios de DNA que se dobram em uma forma octaédrica de oito lados mecanicamente robusta, à qual a gangue se refere como um voxel, com conectores em cada canto que ligam cada voxel. Muitos voxels podem ser projetados para vincular -se a um motivo 3D repetitivo específico usando a codificação de DNA, semelhante à maneira como as peças do quebra -cabeça de quebra -cabeças formam uma imagem complexa. Os motivos repetitivos, por sua vez, também são montados em paralelo para criar a estrutura organizada hierarquicamente direcionada. O colaborador Sanat Kumar, o Michael Bykhovsky e o professor de engenharia química de Charo Gonzalez-Bykhovsky, forneceu uma verificação computacional da abordagem de design inverso da gangue.
Para permitir a estratégia de design inverso, os pesquisadores devem descobrir como projetar essas “peças de quebra-cabeça” em nanoescala baseadas em DNA com o número mínimo necessário para formar a estrutura desejada. “Você pode pensar nisso como comprimir um arquivo. Queremos minimizar a quantidade de informações para que a auto-montagem do DNA seja mais eficiente”, disse o primeiro autor Jason Kahn, cientista da equipe da BNL e anteriormente um pós-doutorado no Gang’s Group. Mapeamento apelidado de montagem codificada estruturalmente, ou Moisés, esse algoritmo é como o software program CAD nano-escala, acrescenta Gang. “Ele lhe dirá qual voxel de DNA usar para fazer uma treliça de 3D ordenada em determinado arbitrariamente definido.”
A partir daí, você pode adicionar diversos tipos de nano- “carga” dentro dos voxels de DNA que imbuirão a estrutura last com propriedades específicas. Por exemplo, as nanopartículas de ouro foram incorporadas a fornecer propriedades ópticas exclusivas, como demonstrado nos experimentos de Yu. Mas, como mostrado anteriormente, os nanocomponentes inorgânicos e biológicos podem ser integrados a esses andaimes de DNA. Depois que o dispositivo foi montado, a equipe também “mineralizou”. Eles revestiram andaimes com sílica e os expuseram ao calor para decompor o DNA, convertendo efetivamente o andaime orgânico unique em uma forma inorgânica altamente robusta.
A gangue continua a colaborar com Kumar e Yu para descobrir os princípios de design que permitirão a engenharia e a montagem de estruturas complexas, na esperança de realizar projetos ainda mais complicados, incluindo um circuito 3D destinado a imitar a conectividade complexa do cérebro humano.
“Estamos bem a caminho de estabelecer uma plataforma de nanomanufaturas 3D de baixo para cima. Vemos isso como uma” próxima geração de impressão 3D “” na nanoescala, mas agora o poder da auto-montagem baseada em DNA nos permite estabelecer uma fabricação massivamente paralela “, disse Gang.
