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单细胞建筑师激发了新的纳米技术

2019-03-20 12:58:43来源:

硅藻是微小的单细胞生物,栖息在海洋,湖泊,河流和土壤中。通过他们的呼吸,他们产生了近四分之一的氧气,几乎与世界上的热带森林一样多。除了在全球范围内的生态成功外,它们还拥有许多卓越的特性。硅藻生活在他们自己设计的玻璃般的家中,在放大下以惊人和美学的各种形式可见。

自从18世纪晚期发现以来,研究人员就已经从这些微观的宝石般的自然产品中找到了灵感。在一项新的研究中,亚洲州立大学(ASU)的科学家郝艳教授与中国科学院上海应用物理研究所和上海交通大学的研究人员杨春海教授共同设计了一系列科学家。硅藻状纳米结构。

为了实现这一目标,他们借用了天然硅藻所使用的技术来沉积二氧化硅层 - 玻璃中的主要成分 - 以生长其复杂的壳。该组使用一种称为DNA折纸的技术设计了各种形状的纳米级平台,通过电荷吸收的二氧化硅颗粒可以粘附在其上。

新的研究表明,二氧化硅沉积可以有效地应用于合成的,基于DNA的结构,提高其弹性和耐久性。这项工作最终可能在新的光学系统,半导体纳米光刻,纳米电子,纳米机器人和医疗应用(包括药物输送)中具有深远的应用。

Yan是Milton D. Glick化学和生物化学杰出教授,负责生物设计分子设计和仿生学中心。该小组的研究结果在Nature杂志的高级在线报道。

Yan和Fan等研究人员使用DNA作为建筑材料,创建了二维和三维复杂的纳米结构。这种被称为DNA折纸的方法依赖于DNA的四个核苷酸的碱基配对特性,其名称缩写为A,T,C和G.

当DNA互补链彼此键合时,形成DNA双螺旋的阶梯状结构--C核苷酸总是与Gs配对,As总是与Ts配对。可以利用这种可预测的行为以产生几乎无限种类的工程形状,其可以预先设计。然后纳米结构在试管中自组装。

在这项新研究中,研究人员希望了解用DNA设计的结构,每个直径只有十亿分之一米,可以用作结构框架,硅藻组成的硅藻外骨骼能够以精确和可控的方式生长。他们的成功结果显示了这种自然与纳米工程的混合结合的力量,作者称之为DNA Origami Silicification(DOS)。

“在这里,我们证明了可以开发出合适的化学方法来生产DNA-silica杂化材料,忠实地复制各种不同DNA折纸支架的复杂几何信息。我​​们的研究结果确立了创建仿生二氧化硅纳米结构的一般方法,”焉。

在实验中设计和构建的几何DNA框架包括2D十字形,正方形,三角形和DOS-硅藻蜂窝形状以及3D立方体,四面体,半球形,环形和椭球形,以单个单元或晶格形式出现。

一旦DNA框架完成,带有正电荷的二氧化硅颗粒簇被静电吸引到电负性DNA形状的表面,在几天的时间内累积,如施加到蛋壳上的精细涂料。由所得的DOS形式制成一系列透射和扫描电子显微照片,显示出准确有效的硅藻样硅化。

该方法证明对于尺寸为10-1000纳米的框状,弯曲和多孔纳米结构的硅化是有效的(最大结构大致是细菌的大小)。仅通过调节生长持续时间就可以精确控制硅壳厚度。

混合DOS-硅藻纳米结构最初使用一对能够揭示其微小形式的强大工具进行表征,透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)。得到的图像揭示了二氧化硅沉积后纳米结构更清晰的轮廓。

纳米加工的方法是如此精确,研究人员能够生产三角形,正方形和六边形,其直径小于10纳米的均匀孔 - 迄今为止使用DNA折纸平版印刷术迄今为止所达到的最小。此外,新研究中概述的技术使研究人员能够更准确地控制任意形式的3D纳米结构的构建,这些形式通常通过现有方法产生挑战。

像Yan和Fan这样的纳米工程师非常感兴趣的天然硅藻的一个特性是它们的硅壳的特定强度。比强度是指材料相对于其密度的抗破裂性。科学家们发现,硅藻的二氧化硅结构不仅具有令人振奋的优雅,而且非常坚韧。实际上,包裹硅藻的二氧化硅外骨骼具有任何生物材料的最高比强度,包括骨,鹿角和牙齿。

在目前的研究中,研究人员使用AFM来测量其二氧化硅增强DNA纳米结构的抗断裂性。与它们的天然对应物一样,这些形状显示出更强的强度和弹性,与未经加工的设计相比,它们可承受的力增加了10倍,同时保留了相当大的灵活性。

该研究还表明,DOS纳米结构的增强刚性随着生长时间的增加而增加。正如作者所指出的,这些结果与自然界产生的生物矿物的特征性机械性能一致,将令人印象深刻的耐久性与灵活性相结合。

最后的实验涉及使用金纳米棒作为DOS制造装置的支撑支柱设计新的3D四面体纳米结构。与缺乏变形和坍塌的硅化的类似结构相比,这种新颖的结构能够忠实地保持其形状。

该研究为纳米技术的自然创新开辟了一条途径,其中DNA结构充当模板,可以涂覆二氧化硅或其他无机材料,包括磷酸钙,碳酸钙,氧化铁或其他金属氧化物,产生独特的性质。

“我们有兴趣开发创建更高阶混合纳米结构的方法。例如,可以通过逐步沉积不同材料来实现多层/多组分杂化材料,以进一步扩展仿生多样性,”Fan说。

这些能力将为工程高度可编程的固态纳米孔开辟新的机会,这些纳米孔具有分层特征,具有设计结构周期性的新型多孔材料,空腔和功能,等离子体和超材料。本文展示的生物启发和仿生方法代表了无机器件纳米加工的一般框架,该框架具有任意3D形状和功能,并在纳米电子,纳米光子学和纳米机器人等领域提供多种潜在应用。