Un grupo de científicos ha desarrollado una plataforma para ensamblar componentes materiales de tamaño nanométrico, o "nanoobjetos", de muy diversos tipos (orgánicos e inorgánicos) en las estructuras tridimensionales deseadas. Si bien el autoensamblaje (AS) se ha utilizado con éxito para organizar nanomateriales de diversos tipos, el proceso ha sido extremadamente específico para cada sistema, generando diferentes estructuras basadas en las propiedades intrínsecas de los materiales. Como se informa en un artículo publicado hoy en Nature Materials, su nueva plataforma de nanofabricación programable por ADN puede aplicarse para organizar diversos materiales tridimensionales de la misma manera prescrita a escala nanométrica (milmillonésimas de metro), donde emergen propiedades ópticas, químicas y de otro tipo únicas.
“Una de las principales razones por las que la SA no es una técnica preferida para aplicaciones prácticas es que el mismo proceso de SA no puede aplicarse a una amplia gama de materiales para crear matrices tridimensionales idénticas a partir de diferentes nanocomponentes”, explicó el autor correspondiente Oleg Gang, líder del Grupo de Nanomateriales Blandos y Bionómicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una Instalación para Usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y profesor de Ingeniería Química y de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales en Columbia Engineering. “En este estudio, desvinculamos el proceso de SA de las propiedades del material mediante el diseño de estructuras de ADN poliédricas rígidas que pueden encapsular diversos nanoobjetos inorgánicos u orgánicos, incluyendo metales, semiconductores e incluso proteínas y enzimas”.
Los científicos diseñaron marcos de ADN sintético con forma de cubo, octaedro y tetraedro. Dentro de los marcos se encuentran "brazos" de ADN a los que solo pueden unirse los nanoobjetos con la secuencia complementaria de ADN. Estos vóxeles materiales (la integración del marco de ADN y el nanoobjeto) son los componentes básicos a partir de los cuales se pueden crear estructuras tridimensionales a macroescala. Los marcos se conectan entre sí, independientemente del tipo de nanoobjeto que contengan (o no), según las secuencias complementarias con las que están codificados en sus vértices. Dependiendo de su forma, los marcos tienen un número diferente de vértices y, por lo tanto, forman estructuras completamente diferentes. Cualquier nanoobjeto alojado dentro de los marcos adopta esa estructura específica.
Para demostrar su enfoque de ensamblaje, los científicos seleccionaron nanopartículas metálicas (oro) y semiconductoras (seleniuro de cadmio), así como una proteína bacteriana (estreptavidina), como nanoobjetos inorgánicos y orgánicos que se colocarían dentro de las estructuras de ADN. Primero, confirmaron la integridad de las estructuras de ADN y la formación de vóxeles de material mediante imágenes con microscopios electrónicos en el Centro de Microscopía Electrónica del CFN y el Instituto Van Andel, que cuenta con un conjunto de instrumentos que operan a temperaturas criogénicas para muestras biológicas. Posteriormente, sondearon las estructuras reticulares tridimensionales en las líneas de luz de dispersión de rayos X duros coherentes y de dispersión de materiales complejos de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Brookhaven. El profesor de ingeniería química de la Universidad de Columbia, Sanat Kumar, y su grupo realizaron un modelo computacional que reveló que las estructuras reticulares observadas experimentalmente (basadas en los patrones de dispersión de rayos X) eran las más estables termodinámicamente que los vóxeles del material podían formar.
“Estos vóxeles materiales nos permiten comenzar a utilizar ideas derivadas de los átomos (y moléculas) y los cristales que forman, y trasladar este vasto conocimiento y base de datos a sistemas de interés a escala nanométrica”, explicó Kumar.
Los estudiantes de Gang en Columbia demostraron cómo la plataforma de ensamblaje podía utilizarse para impulsar la organización de dos tipos diferentes de materiales con funciones químicas y ópticas. En un caso, coensamblaron dos enzimas, creando matrices tridimensionales con una alta densidad de empaquetamiento. Aunque las enzimas permanecieron químicamente inalteradas, mostraron un aumento de aproximadamente cuatro veces en su actividad enzimática. Estos "nanorreactores" podrían utilizarse para manipular reacciones en cascada y permitir la fabricación de materiales químicamente activos. Para la demostración del material óptico, mezclaron dos colores diferentes de puntos cuánticos: diminutos nanocristales que se utilizan para fabricar pantallas de televisión con alta saturación de color y brillo. Las imágenes capturadas con un microscopio de fluorescencia mostraron que la red formada mantenía la pureza del color por debajo del límite de difracción (longitud de onda) de la luz; esta propiedad podría permitir una mejora significativa de la resolución en diversas tecnologías de visualización y comunicación óptica.
“Necesitamos replantear cómo se forman los materiales y cómo funcionan”, afirmó Gang. “Rediseñar los materiales podría no ser necesario; simplemente empaquetar los materiales existentes de nuevas maneras podría mejorar sus propiedades. Potencialmente, nuestra plataforma podría ser una tecnología que facilite el control de materiales a escalas mucho menores, con mayor variedad y composiciones diseñadas. Utilizar el mismo enfoque para formar redes tridimensionales a partir de nanoobjetos deseados de diferentes clases de materiales, integrando aquellos que de otro modo se considerarían incompatibles, podría revolucionar la nanofabricación”.
Materiales proporcionados por el Departamento de Energía/Laboratorio Nacional Brookhaven. Nota: El contenido puede ser editado por motivos de estilo y extensión.
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Hora de publicación: 04-jul-2022