მეცნიერებმა შეიმუშავეს პლატფორმა ნანოზომის მასალის კომპონენტების, ანუ „ნანოობიექტების“, ძალიან განსხვავებული ტიპის - არაორგანული თუ ორგანული - სასურველ 3-D სტრუქტურებად ასაწყობად. მიუხედავად იმისა, რომ თვითაწყობა (SA) წარმატებით გამოიყენება სხვადასხვა სახის ნანომასალების ორგანიზებისთვის, პროცესი უკიდურესად სისტემურად სპეციფიკურია, რაც მასალების შინაგანი თვისებების საფუძველზე სხვადასხვა სტრუქტურებს წარმოქმნის. როგორც Nature Materials-ში დღეს გამოქვეყნებულ ნაშრომშია ნათქვამი, მათი ახალი დნმ-ის პროგრამირებადი ნანოფაბრიკაციის პლატფორმა შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა 3-D მასალის ორგანიზებისთვის იმავე დადგენილი გზებით ნანომასშტაბში (მეტრის მემილიარდედებში), სადაც უნიკალური ოპტიკური, ქიმიური და სხვა თვისებები ვლინდება.
„ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი, რის გამოც SA არ არის პრაქტიკული გამოყენებისთვის სასურველი ტექნიკა, არის ის, რომ იგივე SA პროცესი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას მასალების ფართო სპექტრზე, რათა შეიქმნას იდენტური 3-D მოწესრიგებული მასივები სხვადასხვა ნანოკომპონენტებისგან“, - განმარტა შესაბამისმა ავტორმა ოლეგ განგმა, ფუნქციური ნანომასალების ცენტრის (CFN) რბილი და ბიო ნანომასალების ჯგუფის ხელმძღვანელმა - აშშ-ის ენერგეტიკის დეპარტამენტის (DOE) ბრუკჰეივენის ეროვნული ლაბორატორიის სამეცნიერო ოფისის მომხმარებელთა დაწესებულება - და ქიმიური ინჟინერიის, გამოყენებითი ფიზიკისა და მასალათმცოდნეობის პროფესორმა კოლუმბიის საინჟინრო უნივერსიტეტში. „აქ ჩვენ SA პროცესი გამოვყავით მასალის თვისებებისგან ხისტი პოლიედრული დნმ-ის ჩარჩოების შექმნით, რომლებსაც შეუძლიათ სხვადასხვა არაორგანული ან ორგანული ნანოობიექტების, მათ შორის ლითონების, ნახევარგამტარების და ცილების და ფერმენტების კაფსულაში მოქცევა“.
მეცნიერებმა შექმნეს სინთეზური დნმ-ის ჩარჩოები კუბის, ოქტაედრის და ტეტრაედრის ფორმის. ჩარჩოების შიგნით არის დნმ-ის „მკლავები“, რომლებთანაც დაკავშირება მხოლოდ დნმ-ის კომპლემენტარული თანმიმდევრობის მქონე ნანოობიექტებს შეუძლიათ. ეს მატერიალური ვოქსელები - დნმ-ის ჩარჩოსა და ნანოობიექტის ინტეგრაცია - წარმოადგენს საშენ მასალას, საიდანაც შესაძლებელია მაკროსშტაბიანი 3-D სტრუქტურების შექმნა. ჩარჩოები ერთმანეთთან დაკავშირებულია იმის მიუხედავად, თუ რა სახის ნანოობიექტია შიგნით (ან არა), იმ კომპლემენტარული თანმიმდევრობების მიხედვით, რომლითაც ისინი კოდირებულია მათ წვეროებში. მათი ფორმის მიხედვით, ჩარჩოებს აქვთ წვეროების განსხვავებული რაოდენობა და შესაბამისად, ქმნიან სრულიად განსხვავებულ სტრუქტურებს. ჩარჩოებში განთავსებული ნებისმიერი ნანოობიექტი იღებს ამ კონკრეტულ ჩარჩოს სტრუქტურას.
აწყობის მიდგომის დემონსტრირებისთვის, მეცნიერებმა არაორგანულ და ორგანულ ნანოობიექტებად შეარჩიეს მეტალის (ოქრო) და ნახევარგამტარი (კადმიუმის სელენიდი) ნანონაწილაკები და ბაქტერიული ცილა (სტრეპტავიდინი), რომლებიც დნმ-ის ჩარჩოებში უნდა განთავსებულიყო. პირველ რიგში, მათ დაადასტურეს დნმ-ის ჩარჩოების მთლიანობა და მატერიალური ვოქსელების ფორმირება ელექტრონული მიკროსკოპებით გამოსახულების მიღებით CFN ელექტრონული მიკროსკოპიის ცენტრსა და ვან ანდელის ინსტიტუტში, რომელსაც აქვს ინსტრუმენტების ნაკრები, რომლებიც ბიოლოგიური ნიმუშებისთვის კრიოგენულ ტემპერატურაზე მუშაობენ. შემდეგ მათ გამოიკვლიეს 3-D ბადისებრი სტრუქტურები ეროვნული სინქროტრონული სინათლის წყარო II-ის (NSLS-II) კოჰერენტული მყარი რენტგენის გაფანტვისა და კომპლექსური მასალების გაფანტვის სხივურ ხაზებზე - ბრუკჰეივენის ლაბორატორიაში ენერგეტიკის დეპარტამენტის კიდევ ერთი ოფისის მეცნიერების მომხმარებლის ცენტრზე. კოლუმბიის საინჟინრო ბიხოვსკის სახელობის ქიმიური ინჟინერიის პროფესორმა სანატ კუმარმა და მისმა ჯგუფმა ჩაატარეს გამოთვლითი მოდელირება, რამაც აჩვენა, რომ ექსპერიმენტულად დაკვირვებული ბადისებრი სტრუქტურები (რენტგენის გაფანტვის ნიმუშებზე დაყრდნობით) იყო ყველაზე თერმოდინამიკურად სტაბილური, რომელთა წარმოქმნაც მატერიალურ ვოქსელებს შეეძლოთ.
„ეს მატერიალური ვოქსელები საშუალებას გვაძლევს, დავიწყოთ ატომებიდან (და მოლეკულებიდან) და მათ მიერ წარმოქმნილი კრისტალებიდან მიღებული იდეების გამოყენება და ეს უზარმაზარი ცოდნა და მონაცემთა ბაზა ნანომასშტაბიან საინტერესო სისტემებში გადავიტანოთ“, - განმარტა კუმარმა.
კოლუმბიის უნივერსიტეტის სტუდენტებმა შემდეგ აჩვენეს, თუ როგორ შეიძლება აწყობის პლატფორმის გამოყენება ქიმიური და ოპტიკური ფუნქციების მქონე ორი სხვადასხვა სახის მასალის ორგანიზების წარმართვისთვის. ერთ შემთხვევაში, მათ ერთად აწყვეს ორი ფერმენტი, რითაც შექმნეს მაღალი შეფუთვის სიმკვრივის მქონე 3-D მასივები. მიუხედავად იმისა, რომ ფერმენტები ქიმიურად უცვლელი დარჩა, მათ ფერმენტული აქტივობის დაახლოებით ოთხჯერადი ზრდა აჩვენეს. ეს „ნანორეაქტორები“ შეიძლება გამოყენებულ იქნას კასკადური რეაქციების მანიპულირებისთვის და ქიმიურად აქტიური მასალების დამზადების უზრუნველსაყოფად. ოპტიკური მასალის დემონსტრაციისთვის, მათ შეურიეს კვანტური წერტილების ორი განსხვავებული ფერი - პაწაწინა ნანოკრისტალები, რომლებიც გამოიყენება მაღალი ფერის გაჯერებისა და სიკაშკაშის მქონე სატელევიზიო ეკრანების დასამზადებლად. ფლუორესცენტული მიკროსკოპით გადაღებულმა სურათებმა აჩვენა, რომ წარმოქმნილმა ბადემ შეინარჩუნა ფერის სისუფთავე სინათლის დიფრაქციის ზღვარზე (ტალღის სიგრძეზე) ქვემოთ; ამ თვისებამ შეიძლება გამოიწვიოს გარჩევადობის მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება სხვადასხვა ეკრანისა და ოპტიკური კომუნიკაციის ტექნოლოგიებში.
„ჩვენ უნდა გადავხედოთ, თუ როგორ შეიძლება მასალების ფორმირება და როგორ ფუნქციონირებენ ისინი“, - თქვა განგმა. „მასალის რედიზაინი შეიძლება არ იყოს საჭირო; არსებული მასალების უბრალოდ ახლებურად შეფუთვამ შეიძლება გააუმჯობესოს მათი თვისებები. პოტენციურად, ჩვენი პლატფორმა შეიძლება იყოს „3-D ბეჭდვის წარმოების მიღმა“ ხელმისაწვდომი ტექნოლოგია, რათა მართოს მასალები გაცილებით მცირე მასშტაბით და უფრო დიდი მასალების მრავალფეროვნებითა და შექმნილი შემადგენლობით. იგივე მიდგომის გამოყენება სხვადასხვა მასალის კლასის სასურველი ნანოობიექტებიდან 3-D ბადეების ფორმირებისთვის, იმ ნანოობიექტების ინტეგრირებით, რომლებიც სხვა შემთხვევაში შეუთავსებლად ჩაითვლებოდა, შეიძლება რევოლუცია მოახდინოს ნანოწარმოებაში“.
მასალები მოწოდებულია DOE/Brookhaven National Laboratory-ის მიერ. შენიშვნა: შინაარსი შეიძლება რედაქტირებული იყოს სტილისა და სიგრძის მიხედვით.
მიიღეთ უახლესი სამეცნიერო სიახლეები ScienceDaily-ის უფასო ელექტრონული ბიულეტენებით, რომლებიც ყოველდღიურად და ყოველკვირეულად განახლდება. ან ნახეთ საათობრივად განახლებული სიახლეების არხები თქვენს RSS წამკითხველში:
გაგვიზიარეთ თქვენი აზრი ScienceDaily-ზე — ჩვენ მივესალმებით როგორც დადებით, ასევე უარყოფით კომენტარებს. გაქვთ რაიმე პრობლემა საიტის გამოყენებისას? გაქვთ კითხვები?
გამოქვეყნების დრო: 2022 წლის 4 ივლისი