Rad na nanoskali daje istraživačima mnogo uvida i kontrole prilikom izrade i karakterizacije materijala. U proizvodnji većih razmera, kao iu prirodi, mnogi materijali imaju kapacitet za nedostatke i nečistoće koje mogu poremetiti njihovu složenu strukturu. Ovo stvara nekoliko slabih tačaka koje se lako mogu slomiti pod stresom. Ovo je uobičajeno za većinu stakla, zbog čega se smatra tako delikatnim materijalom.
Naučnici sa Univerziteta Kolumbija, Univerziteta u Konektikatu i Nacionalne laboratorije u Brukhejvenu Ministarstva energetike SAD (DOE) uspeli su da proizvedu čist oblik stakla i oblože specijalizovane delove DNK sa njim kako bi stvorili materijal koji nije bio samo jači od čelika. , ali neverovatno lagana. Materijali koji poseduju oba ova kvaliteta su neuobičajeni, a dalja istraživanja mogu dovesti do novih inženjerskih i odbrambenih aplikacija. Rezultati su objavljeni u Cell Reports Phisical Science.
U živim bićima, dezoksiribonukleinska kiselina, poznatija kao DNK, nosi biološku informaciju koja daje uputstva ćelijama organizama kako da se formiraju, rastu i razmnožavaju. Materijal od kojeg je napravljena DNK je poznat kao polimer, klasa čvrstih, elastičnih materijala koja uključuje plastiku i gumu. Njihova otpornost i jednostavnost zaintrigirale su naučnike o materijalima i inspirisale mnoge zanimljive eksperimente.
Oleg Gang, naučnik o materijalima u Centru za funkcionalne nanomaterijale (CFN), Kancelariji za nauku Ministarstva nauke u laboratoriji Brookhaven, i profesor na Univerzitetu Kolumbija, godinama koristi jedinstvena svojstva DNK za sintezu materijala, što je rezultiralo brojnim otkrićima. . Ova nova tehnologija inspirisala je niz inovativnih aplikacija — od isporuke lekova do elektronike.
Gang je ranije radio sa glavnim autorom rada, postdoktorskim istraživačem iz Brookhevena Aronom Majkelsonom, na eksperimentu koji koristi DNK strukture za izgradnju robusnog okvira za nove materijale.
Molekuli DNK se ponašaju na zanimljiv način. Pojedinačni nukleotidi, osnovne jedinice nukleinskih kiselina poput DNK i RNK, diktiraju vezu između komplementarnih sekvenci. Precizan način na koji se međusobno povezuju omogućava naučnicima da razviju metode za projektovanje savijanja DNK u specifične oblike koji se nazivaju „origami“, nazvani po japanskoj umetnosti savijanja papira.
Ovi DNK oblici su građevni blokovi u nanorazmeri koji se mogu programirati korišćenjem adresabilnih DNK veza za „samosastavljanje“. To znači da se dobro definisane strukture sa ponavljajućim uzorkom mogu spontano formirati iz ovih origami DNK blokova.
Ovi blokovi se zatim drže zajedno da formiraju veću rešetku – strukturu sa ponavljajućim uzorkom. Ovaj proces omogućava naučnicima da iz DNK grade 3D nanomaterijale i integrišu neorganske nanočestice i proteine, kao što su pokazale prethodne studije grupe. Nakon što su stekli razumevanje i kontrolu nad ovim jedinstvenim procesom montaže, Gang, Majklson i njihov tim su tada bili u mogućnosti da istraže šta se može postići kada se koristi ta biomolekularna skela da kreiraju silicijumske okvire koji čuvaju arhitekturu skele.
„Fokusirali smo se na korišćenje DNK kao programabilnog nanomaterijala za formiranje složene 3D skele“, rekao je Majklson, „i želeli smo da istražimo kako će ova skela delovati mehanički kada se prenese u stabilnije čvrste materijale. materijal izliven u silicijum dioksidu, glavni sastojak stakla, i njegov potencijal.“
Majklsonov rad u ovoj oblasti doneo mu je Memorijalnu nagradu Robert Simon na Univerzitetu Kolumbija. Njegovo istraživanje DNK okvira je istražilo niz karakteristika i primena, od mehaničkih svojstava do superprovodljivosti. Slično kao i strukture na kojima je izgradio, Majklsonov rad nastavlja da raste i gradi se dok preuzima nove slojeve informacija iz ovih uzbudljivih eksperimenata.
Sledeći deo procesa proizvodnje bio je inspirisan biomineralizacijom – načinom na koji određeno živo tkivo proizvodi minerale da postanu tvrđi, poput kostiju.
„Bili smo veoma zainteresovani da istražimo kako možemo da poboljšamo mehanička svojstva običnih materijala, kao što je staklo, ali da ih strukturiramo na nanoskali“, rekao je Gang.
Naučnici su koristili veoma tanak sloj silicijum stakla, debljine samo oko 5 nm ili nekoliko stotina atoma, da oblože DNK okvire, ostavljajući unutrašnje prostore otvorenim i osiguravajući da je rezultujući materijal ultra lagan. Na ovoj maloj skali, staklo je neosetljivo na nedostatke ili defekte, pružajući snagu koja se ne vidi u većim komadima stakla gde nastaju pukotine i uzrokuju njegovo pucanje. Tim je želeo da tačno zna koliko je ovaj materijal jak, koji je, u ovom obimu, zahtevao veoma specijalizovanu opremu.
Postoje jednostavni načini da proverite da li je nešto čvrsto. Bokanje, guranje i oslanjanje na površine i posmatranje njihovog ponašanja često mogu pružiti korisne informacije. Da li se savijaju, škripe, kopčaju ili čvrsto stoje pod stresom? Ovo je jednostavan, ali efikasan način da se shvati snaga objekta, čak i bez alata za precizno merenje. Međutim, kako se može pritisnuti predmet koji je premali da bi se mogao videti?
„Da bismo izmerili snagu ovih sićušnih struktura, koristili smo tehniku koja se zove nanoindentacija“, objasnio je Majklson. „Nanoindentacija je mehanički test na veoma maloj skali koji se izvodi pomoću preciznog instrumenta koji može primeniti i meriti otporne sile.“
„Naši uzorci su debeli samo nekoliko mikrona, oko hiljaditi deo milimetra, tako da je nemoguće izmeriti ove materijale konvencionalnim sredstvima. Koristeći zajedno elektronski mikroskop i nanoindentaciju, možemo istovremeno da merimo mehaničko ponašanje i posmatramo proces kompresije. “
Dok mali uređaj sabija ili uvlači uzorak, istraživači mogu da vrše merenja i posmatraju mehanička svojstva. Oni tada mogu da vide šta se dešava sa materijalom dok se kompresija oslobađa i uzorak se vraća u prvobitno stanje. Ako postoje pukotine koje se formiraju ili ako struktura u bilo kom trenutku pokvari, ovi vredni podaci se mogu snimiti.
Kada je stavljen na test, pokazalo se da je DNK rešetka presvučena staklom četiri puta jača od čelika! Ono što je bilo još interesantnije je da je njegova gustina bila oko pet puta manja. Iako postoje materijali koji su jaki i koji se smatraju prilično laganim, to nikada nije postignuto do ovog stepena.
Međutim, ova tehnika nije bila nešto što je uvek bilo lako dostupno u CFN-u.
„Sarađivali smo sa Seok-Vu Lijem, vanrednim profesorom na Univerzitetu Konektikat, koji ima stručnost u mehaničkim svojstvima materijala“, rekao je Gang.
„Bio je korisnik CFN-a koji je iskoristio neke od naših mogućnosti i resursa, poput elektronskih mikroskopa, i tako smo razvili odnos sa njim. U početku nismo imali sposobnost za nanoindentaciju, ali nas je odveo do odgovarajućih alata i dobio nas na pravom putu. Ovo je još jedan primer kako naučnici iz akademske zajednice i nacionalnih laboratorija imaju koristi od zajedničkog rada. Sada imamo ove alate i stručnost da nastavimo sa ovakvim studijama još dalje.“
Iako ima još mnogo posla koji treba da se uradi pre nego što se poveća i razmisli o bezbroj aplikacija za takav materijal, još uvek postoje razlozi da naučnici materijala budu uzbuđeni šta to znači za dalje. Tim planira da pogleda i druge materijale, poput karbidne keramike, koji su čak jači od stakla da bi videli kako rade i kako se ponašaju. Ovo bi moglo dovesti do još jačih lakih materijala u budućnosti.
Dok je njegova karijera još u ranim fazama, Majklson je već postigao toliko toga i već želi da krene u naredne faze svog istraživanja.
„To je divna prilika da budem postdoktor u laboratoriji Bruhejven, posebno nakon što sam bio student Univerziteta Kolumbija koji bi često radio na CFN-u“, priseća se Majklson. „To je ono što me je navelo da tamo nastavim kao postdoktor. Sposobnosti koje imamo u CFN-u, posebno u vezi sa snimanjem, zaista su pomogle u pokretanju mog rada.“
