Нужен новый 3D-материал? Постройте его из ДНК
Исследователи из Колумбийского университета разработали новую методологию для целенаправленного создания 3D-наноструктур с помощью самосборки, направляемой ДНК. Этот подход позволяет «строить» сложные трёхмерные организации из нанокомпонентов, подобно наномасштабной версии небоскрёба.
Ключевые возможности:
- Проектирование 3D-материалов критически важно для новых применений: от управления светом и нейроморфных вычислений до каталитических материалов и биомолекулярных каркасов.
- Методология описана в двух статьях (Nature Materials и ACS Nano) и включает алгоритм обратного проектирования для других исследователей.
Как это работает:
- В отличие от традиционных «сверху вниз» методов (например, фотолитографии), которые медленно создают объекты последовательно, новый подход использует биовдохновлённую самосборку «снизу вверх».
- Основные строительные блоки — ДНК-октаэдры (воксели) с соединителями на каждом углу. Множество вокселей связываются в повторяющиеся 3D-мотивы с помощью кодирования ДНК, подобно пазлу.
- Алгоритм MOSES (Mapping Of Structurally Encoded aSsembly) действует как наномасштабное ПО CAD, определяя, какие ДНК-воксели использовать для создания произвольно заданной 3D-решётки.
- Внутрь ДНК-каркасов можно поместить различный нано-«груз» (например, золотые наночастицы), чтобы придать конечной структуре нужные свойства (оптические, магнитные, электрические).
- Процесс сборки происходит параллельно в водных растворах, что экономит время и ресурсы по сравнению с традиционными методами и является экологически безопасным.
Демонстрационные структуры и применение:
Исследователи создали и охарактеризовали с помощью синхротронного рентгеновского рассеяния и электронной микроскопии несколько структур:
- Кристаллоподобную структуру из одномерных цепочек и двумерных слоёв.
- Аналог материалов, используемых в солнечных панелях.
- Кристалл со спиральным закручиванием.
- Структуру для управления светом (для проекта по созданию оптического компьютера).
Дальнейшие шаги:
После сборки каркасы можно минерализовать (покрыть кремнезёмом и удалить ДНК нагреванием), превращая органический шаблон в прочную неорганическую форму. Учёные продолжают работу над созданием ещё более сложных дизайнов, включая 3D-схемы, имитирующие сложную связность человеческого мозга.
Вывод: Этот подход представляет собой «3D-печать следующего поколения» в наномасштабе, где сила ДНК-самосборки позволяет осуществлять массовое параллельное производство.
