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《3D打印使用自组装DNA的纳米结构》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： chenfang
  • 发布时间：2015-08-17

  • 卡罗林斯卡学院的研究小组致力于一项新技术，该技术使得它可以合成三维DNA折纸结构，也能保持在低盐浓度的容器内，为全新的生物应用DNA纳米技术开辟了道路。设计过程中，也高度自动化，这使创造的合成的纳米结构的显着复杂性。这个研究团队将使用一种纳米结构的3D打印机的新方法。用户绘制所需的结构，在一个多边形对象的形式，在三维软件里通常用于计算机辅助设计或动画。图论算法和优化技术，然后用于计算所需的基因序列产生的结构。当合成的脱氧核糖核酸序列结合在一个盐溶液中时，它们就组装成正确的结构。
     

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  • 《渴望的纳米物体:在3D中组装有序的纳米结构》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2020-01-14
    • 科学家们已经开发了一个平台，可以将不同类型的纳米材料组件(或“纳米物体”)——无机或有机——组装成所需的三维结构。虽然自组装(SA)已成功地用于组织几种纳米材料，但该过程具有极强的系统特异性，可根据材料的固有特性生成不同的结构。正如今天发表在《自然材料》杂志上的一篇论文所报道的，他们的新型dna可编程纳米制造平台可以应用于在纳米尺度(十亿分之一米)以相同的规定方式组织各种三维材料，从而产生独特的光学、化学和其他特性。 通讯作者Oleg Gang解释说:“SA不能应用于实际应用的一个主要原因是，相同的SA过程不能应用于大范围的材料，从而从不同的纳米组件创建相同的3-D有序阵列。”美国能源部布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室(CFN)功能纳米材料中心(Center for Functional Nanomaterials)软质和生物纳米材料组组长，哥伦比亚大学工程学院(Columbia Engineering)化学工程、应用物理和材料科学教授。“在这里，我们通过设计刚性的多面体DNA框架，将SA过程与材料特性分离开来，该框架可以封装各种无机或有机纳米物体，包括金属、半导体、甚至蛋白质和酶。” 科学家们设计出了立方体、八面体和四面体形状的合成DNA框架。框架内是DNA“臂”，只有具有互补DNA序列的纳米物体才能与之结合。这些物质体素——DNA框架和纳米物体的结合——是构成宏观三维结构的基础。无论纳米物体的内部是什么(或不是什么)，这些框架都是根据它们在顶点上编码的互补序列相互连接的。根据它们的形状，框架有不同数量的顶点，从而形成完全不同的结构。框架内的任何纳米物体都具有特定的框架结构。 为了演示他们的组装方法，科学家们选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米颗粒和细菌蛋白(链霉亲和素)作为无机和有机纳米物体放置在DNA框架内。首先，他们在CFN电子显微镜设备和范安德尔研究所(Van Andel Institute)的电子显微镜下成像，确认了DNA框架的完整性和物质体素的形成。然后探测三维晶格结构连贯的硬x射线散射和复合材料国家同步光源的散射beamlines II (NSLS-II)——另一个美国能源部科学办公室用户设施布鲁克海文实验室。哥伦比亚工程化学工程教授Bykhovsky Sanat库马尔教授和他的团队执行计算建模,实验观察到的晶格结构(基于x射线散射模式)材料体素可以形成的热力学稳定的。 库马尔解释说:“这些材料体素使我们能够开始利用来自原子(和分子)及其形成的晶体的想法，并将这一庞大的知识和数据库移植到纳米级的感兴趣的系统中。” Gang在哥伦比亚大学的学生随后演示了如何使用装配平台来驱动两种不同的具有化学和光学功能的材料的组织。在一个案例中，他们联合组装了两种酶，创造了高密度的3-D阵列。尽管这些酶在化学上保持不变，但它们的酶活性却增加了四倍。这些“纳米反应器”可用于操作级联反应，使化学活性材料的制备成为可能。在光学材料演示中，他们混合了两种不同颜色的量子点——用于制造高色彩饱和度和亮度电视显示器的微小纳米晶体。用荧光显微镜捕获的图像显示，形成的晶格保持了低于光的衍射极限(波长)的颜色纯度;这一特性可以显著提高各种显示和光通信技术的分辨率。 “我们需要重新思考材料是如何形成的，以及它们是如何发挥作用的，”Gang说。“材料重新设计可能没有必要;简单地用新方法包装现有材料可以提高它们的性能。我们的平台有可能成为一种“超越3d打印制造”的技术，能够在更小的范围内控制材料，并使用更多的材料种类和设计成分。用同样的方法从不同材料类别的纳米目标中形成三维晶格，将那些被认为不相容的纳米对象整合在一起，可能会给纳米制造带来革命性的变化。” ——文章发布于2020年1月13日
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  • 《渴望的纳米物体:在3-D中组装有序的纳米结构》
    • 来源专题：生物质能
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2020-02-05
    • 纽约厄普顿的科学家们已经开发出一种平台，可以将不同类型的纳米材料元件或“纳米物体”(无机或有机)组装成所需的三维结构。虽然自组装(SA)已成功地用于组织几种纳米材料，但该过程具有极强的系统特异性，可根据材料的固有特性生成不同的结构。正如今天发表在《自然材料》杂志上的一篇论文所报道的，他们的新型dna可编程纳米制造平台可以应用于在纳米尺度(十亿分之一米)以相同的规定方式组织各种三维材料，从而产生独特的光学、化学和其他特性。 通讯作者Oleg Gang解释说:“SA不能应用于实际应用的一个主要原因是，相同的SA过程不能应用于大范围的材料，从而从不同的纳米组件创建相同的3-D有序阵列。”美国能源部布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室——功能纳米材料中心(CFN)的软质和生物纳米材料组组长，哥伦比亚大学工程学院化学工程和应用物理与材料科学教授。“在这里，我们通过设计刚性的多面体DNA框架，将SA过程与材料特性分离开来，该框架可以封装各种无机或有机纳米物体，包括金属、半导体、甚至蛋白质和酶。” 科学家们设计出了立方体、八面体和四面体形状的合成DNA框架。框架内是DNA“臂”，只有具有互补DNA序列的纳米物体才能与之结合。这些材料体素是DNA框架和纳米物体的集成体，是构成宏观三维结构的基础。无论纳米物体的内部是什么(或不是什么)，这些框架都是根据它们在顶点上编码的互补序列相互连接的。根据它们的形状，框架有不同数量的顶点，从而形成完全不同的结构。框架内的任何纳米物体都具有特定的框架结构。 为了演示他们的组装方法，科学家们选择了金属(金)和半导体(硒化镉)纳米颗粒和细菌蛋白(链霉亲和素)作为无机和有机纳米物体放置在DNA框架内。首先，他们在CFN电子显微镜设备和范安德尔研究所(Van Andel Institute)的电子显微镜下成像，确认了DNA框架的完整性和物质体素的形成。然后探测三维晶格结构连贯的硬x射线散射和复合材料国家同步光源的散射beamlines II (NSLS-II)——美国能源部科学办公室用户设施布鲁克海文实验室。哥伦比亚工程化学工程教授Bykhovsky Sanat库马尔教授和他的团队执行计算建模显示实验观察到的晶格结构(基于x射线散射模式)是最热力学可以形成稳定的物质体素。 库马尔解释说:“这些材料体素使我们能够开始利用来自原子(和分子)及其形成的晶体的想法，并将这一庞大的知识和数据库移植到纳米级的感兴趣的系统中。” Gang在哥伦比亚大学的学生随后演示了如何使用装配平台来驱动两种不同的具有化学和光学功能的材料的组织。在一个案例中，他们联合组装了两种酶，创造了高密度的3-D阵列。尽管这些酶在化学上保持不变，但它们的酶活性却增加了四倍。这些“纳米反应器”可用于操作级联反应，使化学活性材料的制备成为可能。在光学材料演示中，他们混合了两种不同颜色的量子点——用于制造高色彩饱和度和亮度电视显示器的微小纳米晶体。用荧光显微镜捕获的图像显示，形成的晶格保持了低于光的衍射极限(波长)的颜色纯度;这一特性可以显著提高各种显示和光通信技术的分辨率。 Gang说：“我们需要重新考虑材料的形成方式和功能。” “可能不需要重新设计材料；简单地以新方式包装现有材料可以增强其性能。潜在地，我们的平台可能是“超越3D打印制造”的使能技术，可以以更小的比例，更大的材料种类和设计的成分来控制材料。使用相同的方法从不同材料类别的所需纳米物体形成3-D晶格，将那些原本不兼容的纳米物体整合在一起，可能会彻底改变纳米制造技术。” 布鲁克黑文国家实验室 布鲁克海文国家实验室得到了美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决当今时代最紧迫的挑战。有关更多信息，请访问https://energy.gov/science。 在Twitter上关注@BrookhavenLab或在Facebook上找到我们。 哥伦比亚工程 总部位于纽约的哥伦比亚工程学院是美国顶尖的工程学院之一，也是美国历史最悠久的学院之一。该学院又??称为富基金会工程与应用科学学院，通过其220多名教职员工的开创性研究来扩展知识并提高技术水平，同时在协作环境中对本科生和研究生进行教育，使其成为领导者，并获得坚实的基础工程。该学院的教职员工是该大学跨学科研究的中心，为数据科学研究所，地球研究所，祖克曼头脑大脑行为研究所，精密医学计划和哥伦比亚纳米计划做出了贡献。该学院以其“哥伦比亚人类工程学”战略眼光为指导，旨在将思想转化为创新，以培养可持续，健康，安全，相互联系和富有创造力的人类。
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