Tecnologia Científica

Construindo nanomateriais 3D resistentes com DNA
Pesquisadores da Columbia Engineering, trabalhando com o Brookhaven National Laboratory, relatam hoje que construíram materiais 3D projetados com base em nanopartículas que podem suportar vácuo, altas temperaturas, alta pressão e alta radiação.
Por Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Columbia - 19/03/2021


Mineralização da rede 3D formada por tetraedros de DNA (cerca de 30 nm) e nanopartículas de ouro em réplicas de sílica-Au 3D totalmente inorgânicas com arquitetura preservada. Crédito: Oleg Gang / Columbia Engineering

Pesquisadores da Columbia Engineering, trabalhando com o Brookhaven National Laboratory, relatam hoje que construíram materiais 3D projetados com base em nanopartículas que podem suportar vácuo, altas temperaturas, alta pressão e alta radiação. Este novo processo de fabricação resulta em estruturas em nanoescala robustas e totalmente projetadas que não só podem acomodar uma variedade de tipos de nanopartículas funcionais, mas também podem ser rapidamente processadas com métodos convencionais de nanofabricação.

"Esses materiais à base de nanopartículas automontadas são tão resistentes que poderiam voar no espaço", diz Oleg Gang, professor de engenharia química e de física aplicada e ciência dos materiais , que liderou o estudo publicado hoje pela Science Advances . "Fomos capazes de fazer a transição das arquiteturas de nanopartículas de DNA 3D do estado líquido - e de um material flexível - para o estado sólido , onde a sílica reforça os suportes de DNA. Este novo material mantém totalmente sua arquitetura original da estrutura de nanopartículas de DNA, essencialmente criando uma réplica inorgânica 3D. Isso nos permitiu explorar - pela primeira vez - como esses nanomateriais podem lutar contra condições adversas, como se formam e quais são suas propriedades. "

As propriedades dos materiais são diferentes em nanoescala e os pesquisadores há muito tempo exploram como usar esses materiais minúsculos - 1.000 a 10.000 vezes menores que a espessura de um cabelo humano - em todos os tipos de aplicações, desde a fabricação de sensores para telefones até a construção de chips mais rápidos para laptops . As técnicas de fabricação, no entanto, têm sido desafiadoras na realização de nanoarquitetura 3D. A nanotecnologia de DNA permite a criação de materiais organizados de forma complexa a partir de nanopartículas por meio de automontagem, mas dada a natureza suave e dependente do ambiente do DNA, tais materiais podem ser estáveis ​​apenas sob uma estreita faixa de condições. Em contraste, os materiais recém-formados agora podem ser usados ​​em uma ampla gama de aplicações onde essas estruturas projetadas são necessárias. Enquanto a nanofabricação convencional se destaca na criação de estruturas planas, o novo método de Gang permite a fabricação de nanomateriais 3D que estão se tornando essenciais para muitas aplicações eletrônicas, ópticas e de energia.

Gang, que tem uma nomeação conjunta como líder do grupo Soft and Bio Nanomaterials no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials, está na vanguarda da nanotecnologia de DNA, que depende do dobramento da cadeia de DNA em nanoestruturas bi e tridimensionais desejadas. Essas nanoestruturas tornam-se blocos de construção que podem ser programados por meio de interações Watson-Crick para se automontar em arquiteturas 3D. Seu grupo projeta e forma essas nanoestruturas de DNA, integra-as com nanopartículas e direciona a montagem de materiais baseados em nanopartículas. E, agora, com essa nova técnica, a equipe pode fazer a transição desses materiais de macios e frágeis para sólidos e robustos.
 
Este novo estudo demonstra um método eficiente para converter redes de nanopartículas de DNA 3D em réplicas de sílica, mantendo a topologia das conexões interpartículas por struts de DNA e a integridade da organização das nanopartículas. A sílica funciona bem porque ajuda a reter a nanoestrutura da estrutura do DNA original, forma um elenco robusto do DNA subjacente e não afeta os arranjos das nanopartículas.

"O DNA nessas redes assume as propriedades da sílica", diz Aaron Michelson, um Ph.D. aluno do grupo de Gang. "Torna-se estável ao ar e pode ser seco e permite a análise em nanoescala 3D do material pela primeira vez no espaço real. Além disso, a sílica fornece resistência e estabilidade química, é de baixo custo e pode ser modificada conforme necessário - é muito material conveniente. "

Diferentes tipos de redes em nanoescala formadas com nanoestruturas de DNA poliedros
(tetraedros, cubos e octaedros) e nanopartículas de ouro são mineralizadas com
espessuras de revestimento de sílica controláveis ​​(de cerca de 5 nm até
um preenchimento total do espaço). Crédito: Oleg
Gang / Columbia Engineering

Para aprender mais sobre as propriedades de suas nanoestruturas, a equipe expôs as redes de nanopartículas de DNA convertidas em sílica a condições extremas: altas temperaturas acima de 1.0000C e altas tensões mecânicas acima de 8GPa (cerca de 80.000 vezes mais que a pressão atmosférica, ou 80 vezes mais do que no lugar mais profundo do oceano, a trincheira de Mariana), e estudou esses processos in-situ. Para avaliar a viabilidade das estruturas para aplicações e etapas posteriores de processamento, os pesquisadores também as expuseram a altas doses de radiação e feixes de íons focalizados.

"Nossa análise da aplicabilidade dessas estruturas para se acoplar às técnicas tradicionais de nanofabricação demonstra uma plataforma verdadeiramente robusta para gerar nanomateriais resilientes por meio de abordagens baseadas em DNA para descobrir suas novas propriedades", observa Gang. "Este é um grande passo à frente, pois essas propriedades específicas significam que podemos usar nosso conjunto de nanomateriais 3D e ainda acessar toda a gama de etapas de processamento de materiais convencionais. Essa integração de métodos de nanofabricação novos e convencionais é necessária para alcançar avanços em mecânica, eletrônica , plasmônica, fotônica, supercondutividade e materiais de energia. "

Colaborações baseadas no trabalho de Gang já levaram a uma nova supercondutividade e conversão da sílica em meio condutor e semicondutor para processamento posterior. Estes incluem um estudo anterior publicado pela Nature Communications e um publicado recentemente pela Nano Letters . Os pesquisadores também planejam modificar a estrutura para fazer uma ampla gama de materiais com propriedades mecânicas e ópticas altamente desejáveis.

“Os computadores são feitos com silício há mais de 40 anos”, acrescenta Gang. "Demorou quatro décadas para reduzir a fabricação para cerca de 10 nm para estruturas planas e dispositivos. Agora podemos fazer e montar nanoobjetos em um tubo de ensaio em algumas horas sem ferramentas caras. Oito bilhões de conexões em uma única rede agora podem ser orquestrada para se automontar por meio de processos em nanoescala que podemos projetar. Cada conexão pode ser um transistor, um sensor ou um emissor óptico - cada um pode ser um pouco de dados armazenados. Enquanto a lei de Moore está diminuindo, a programabilidade das abordagens de montagem de DNA é lá para nos levar adiante na solução de problemas em novos materiais e nanofabricação. Embora isso tenha sido extremamente desafiador para os métodos atuais, é extremamente importante para as tecnologias emergentes. "

 

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