Las diatomeas son pequeñas criaturas unicelulares que habitan océanos, lagos, ríos y suelos. A través de su respiración, producen cerca de una cuarta parte del oxígeno en la tierra, casi tanto como los bosques tropicales del mundo. Además de su éxito ecológico.En todo el planeta, tienen una serie de propiedades notables: las diatomeas viven en casas de vidrio de su propio diseño, visibles bajo aumento en una sorprendente y estéticamente hermosa gama de formas.
Los investigadores han encontrado inspiración en estos productos microscópicos similares a las joyas de la naturaleza desde su descubrimiento a fines del siglo 18. En un nuevo estudio, científicos de la Universidad Estatal de Arizona ASU dirigidos por el profesor Hao Yan, en colaboración con investigadores de ShanghaiEl Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de China y la Universidad Jiaotong de Shanghái, dirigida por el profesor Chunhai Fan, han diseñado una gama de nanoestructuras similares a las diatomeas.
Para lograr esto, toman prestadas técnicas utilizadas por las diatomeas naturales para depositar capas de sílice, el constituyente principal en el vidrio, para hacer crecer sus intrincadas conchas. Utilizando una técnica conocida como origami de ADN, el grupo diseñó plataformas a nanoescalade varias formas a las que podrían adherirse partículas de sílice, extraídas por carga eléctrica.
La nueva investigación demuestra que la deposición de sílice se puede aplicar efectivamente a arquitecturas sintéticas basadas en ADN, mejorando su elasticidad y durabilidad. El trabajo podría tener aplicaciones de gran alcance en nuevos sistemas ópticos, nanolitografía de semiconductores, nanoelectrónica, nano-robótica y aplicaciones médicas, incluida la administración de medicamentos
Yan es el distinguido profesor de Química y Bioquímica de Milton D. Glick y dirige el Centro de Biodiseño para Diseño Molecular y Biomimética. Los hallazgos del grupo se informan en el avanzado en línea de la revista Naturaleza .
Investigadores como Yan y Fan crean nanoarquitecturas sofisticadas en 2 y 3 dimensiones, utilizando el ADN como material de construcción. El método, conocido como origami de ADN, se basa en las propiedades de emparejamiento de bases de los cuatro nucleótidos del ADN, cuyos nombres se abrevian A, T, C y G.
La estructura en forma de escalera de la doble hélice de ADN se forma cuando las cadenas complementarias de nucleótidos se unen entre sí: los nucleótidos C siempre se emparejan con Gs y el As siempre se empareja con Ts. Este comportamiento predecible puede explotarse paraproduce una variedad prácticamente ilimitada de formas de ingeniería, que pueden diseñarse por adelantado. Las nanoestructuras luego se autoensamblan en un tubo de ensayo.
En el nuevo estudio, los investigadores querían ver si las arquitecturas diseñadas con ADN, cada una de las cuales medía mil millonésimas de metro de diámetro, podrían usarse como marcos estructurales en los que los exoesqueletos similares a diatomeas compuestos de sílice pudieran crecer de manera precisa y controlableSus exitosos resultados muestran el poder de este matrimonio híbrido de la naturaleza y la nanoingeniería, que los autores llaman DNA Origami Silicification DOS.
"Aquí, demostramos que se puede desarrollar la química correcta para producir materiales híbridos de ADN-sílice que reproduzcan fielmente la compleja información geométrica de una amplia gama de diferentes andamios de origami de ADN. Nuestros hallazgos establecieron un método general para crear nanoestructuras biomiméticas de sílice,"dijo Yan.
Entre los marcos de ADN geométricos diseñados y construidos en los experimentos había cruces 2D, cuadrados, triángulos y formas de panal de diatomeas DOS, así como cubos 3D, tetraedros, hemisferios, formas toroidales y elipsoides, que se presentan como unidades individuales o enrejados.
Una vez que se completaron los marcos de ADN, los racimos de partículas de sílice que portaban una carga positiva se arrastraron electrostáticamente a las superficies de las formas de ADN eléctricamente negativas, acumulando durante un período de varios días, como pintura fina aplicada a una cáscara de huevo. Una serie de transmisión- y se hicieron micrografías electrónicas de barrido de las formas DOS resultantes, revelando una silicificación precisa y eficiente similar a la diatomea.
El método demostró ser efectivo para la silicificación de nanoestructuras con forma de marco, curvas y porosas que varían en tamaño de 10-1000 nanómetros, las estructuras más grandes son aproximadamente del tamaño de bacterias. El control preciso sobre el espesor de la cubierta de sílice se logra simplemente regulando la duración decrecimiento.
Las nanoestructuras híbridas de diatomeas DOS se caracterizaron inicialmente usando un par de herramientas poderosas capaces de revelar sus pequeñas formas, Microscopía electrónica de transmisión TEM y Microscopía de fuerza atómica AFM. Las imágenes resultantes revelan esquemas mucho más claros para las nanoestructuras después de ladeposición de sílice.
El método de nanofabricación es tan preciso que los investigadores pudieron producir triángulos, cuadrados y hexágonos con poros uniformes que miden menos de 10 nm de diámetro, con mucho, el más pequeño logrado hasta la fecha, utilizando la litografía de origami de ADN. Además, la técnica resumióen el nuevo estudio equipa a los investigadores con un control más preciso sobre la construcción de nanoestructuras 3D en formas arbitrarias que a menudo son difíciles de producir a través de los métodos existentes.
Una propiedad de las diatomeas naturales de gran interés para los nanoingenieros como Yan y Fan es la resistencia específica de sus capas de sílice. La resistencia específica se refiere a la resistencia de un material a la rotura en relación con su densidad. Los científicos han descubierto que las arquitecturas de sílice de las diatomeas no sonsolo inspiradoramente elegante pero excepcionalmente resistente. De hecho, los exoesqueletos de sílice que envuelven las diatomeas tienen la mayor resistencia específica de cualquier material producido biológicamente, incluidos huesos, astas y dientes.
En el estudio actual, los investigadores utilizaron AFM para medir la resistencia a la rotura de sus nanoestructuras de ADN aumentadas con sílice. Al igual que sus contrapartes naturales, estas formas mostraron una resistencia y resistencia mucho mayores, mostrando un aumento de 10 veces en las fuerzas que podían soportar, en comparación con los diseños sin silicatos, aunque conserva una considerable flexibilidad.
El estudio también muestra que la rigidez mejorada de las nanoestructuras de DOS aumenta con su tiempo de crecimiento. Como señalan los autores, estos resultados están de acuerdo con las propiedades mecánicas características de los biominerales producidos por la naturaleza, combinando una durabilidad impresionante con flexibilidad.
Un experimento final implicó el diseño de una nueva nanoestructura tetraédrica en 3D usando nanorods de oro como puntales de apoyo para un dispositivo fabricado en DOS. Esta novedosa estructura pudo retener fielmente su forma en comparación con una estructura similar que carecía de silicación que se deformaba y colapsó.
La investigación abre un camino para las innovaciones inspiradas en la naturaleza en nanotecnología en las que las arquitecturas de ADN actúan como plantillas que pueden estar recubiertas con sílice u otros materiales inorgánicos, como fosfato cálcico, carbonato cálcico, óxido férrico u otros óxidos metálicos, con propiedades únicas..
"Estamos interesados en desarrollar métodos para crear nanoestructuras híbridas de orden superior. Por ejemplo, los materiales híbridos de múltiples capas / componentes múltiples se pueden lograr mediante una deposición gradual de diferentes materiales para expandir aún más la diversidad biomimética", dijo Fan.
Dichas capacidades abrirán nuevas oportunidades para diseñar nanoporos de estado sólido altamente programables con características jerárquicas, nuevos materiales porosos con periodicidad estructural diseñada, cavidad y funcionalidad, plasmónicos y metamateriales. El enfoque biomimético y bioinspirado demostrado en este documentorepresenta un marco general para su uso con nanofabricación de dispositivos inorgánicos que tiene formas y funciones arbitrarias en 3D y ofrece diversas aplicaciones potenciales en campos como la nanoelectrónica, la nanofotónica y la nano-robótica.
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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