Delo na nanometru daje raziskovalcem veliko vpogleda in nadzora pri izdelavi in karakterizaciji materialov. Pri proizvodnji v večjem obsegu, pa tudi v naravi, imajo številni materiali zmožnost napak in nečistoč, ki lahko porušijo njihovo kompleksno strukturo. To ustvarja več šibkih točk, ki se pod stresom zlahka zlomijo. To je običajno pri večini stekla, zato velja za tako občutljiv material.
Znanstveniki na Univerzi Columbia, Univerzi v Connecticutu in Nacionalnem laboratoriju Brookhaven Ministrstva za energijo ZDA (DOE) so uspeli izdelati čisto obliko stekla in z njim prevleči posebne dele DNK, da bi ustvarili material, ki ni bil le močnejši od jekla, a neverjetno lahek. Materiali, ki imajo obe lastnosti, so neobičajni in nadaljnje raziskave bi lahko vodile do novih inženirskih in obrambnih aplikacij.
Kaj ima z novim materialom DNK?
V živih bitjih DNK nosi biološke informacije, ki celicam organizmov dajejo navodila, kako se oblikovati, rasti in razmnoževati. Material, iz katerega je izdelana DNK, je znan kot polimer, razred močnih, elastičnih materialov, ki vključuje plastiko in gumo. Njihova odpornost in preprostost sta navdušili materialne znanstvenike in navdihnili številne zanimive poskuse.
Oleg Gang, znanstvenik za materiale v Centru za funkcionalne nanomateriale (CFN), uradu DOE za uporabo v laboratoriju Brookhaven in profesor na univerzi Columbia, že leta izkorišča edinstvene lastnosti DNK za sintezo materialov, kar je privedlo do številnih odkritij. Ta nova tehnologija je navdihnila vrsto inovativnih aplikacij – od dostave zdravil do elektronike.
Izgradnja robustnega ogrodja novih materialov
Gang je pred tem sodeloval z glavnim avtorjem prispevka, podoktorskim raziskovalcem Brookhaven Aaronom Michelsonom, pri eksperimentu z uporabo struktur DNK za izgradnjo robustnega ogrodja za nove materiale. Molekule DNK se obnašajo na zanimiv način. Posamezni nukleotidi, osnovne enote nukleinskih kislin, kot sta DNA in RNA, narekujejo vez med komplementarnimi zaporedji.
Natančen način, kako se vežejo drug na drugega, omogoča znanstvenikom, da razvijejo metode za inženiring zgibanja DNK v posebne oblike, imenovane origami, poimenovane po japonski umetnosti zgibanja papirja. Te oblike DNK so nanometrski gradniki, ki jih je mogoče programirati z naslovljivimi DNK vezmi za samosestavljanje. To pomeni, da se lahko natančno definirane strukture s ponavljajočim se vzorcem spontano oblikujejo iz teh origami blokov DNK.
Ti bloki se nato zlepijo skupaj in tvorijo večjo mrežo – strukturo s ponavljajočim se vzorcem. Ta postopek omogoča znanstvenikom, da zgradijo 3D urejene nanomateriale iz DNK in integrirajo anorganske nanodelce in proteine, kot so pokazale prejšnje študije skupine. Po pridobitvi razumevanja in nadzora nad tem edinstvenim procesom sestavljanja so Gang, Michelson in njihova ekipa lahko raziskali, kaj je mogoče doseči, ko je bil uporabljen biomolekularni oder, ki je ustvaril okvirje silicijevega dioksida, ki ohranjajo arhitekturo odra.
Uporaba DNK kot programabilnega nanomateriala za oblikovanje kompleksnega 3D ogrodja
»Osredotočili smo se na uporabo DNK kot programabilnega nanomateriala za oblikovanje kompleksnega 3D ogrodja,« je dejal Michelson, »in želeli smo raziskati, kako se bo ta ogrodje obneslo mehansko, ko ga bomo prenesli v bolj stabilne trdne materiale. Raziskali smo možnost, da se to samosestavi material, ulit v silicijev dioksid, glavno sestavino stekla, in njegov potencial.«
Michelsonovo delo na tem področju mu je prineslo spominsko nagrado Roberta Simona na univerzi Columbia. Njegove raziskave ogrodij DNK so raziskale vrsto značilnosti in aplikacij, od mehanskih lastnosti do superprevodnosti. Podobno kot strukture, na katerih je gradil, Michelsonovo delo še naprej raste in se gradi, ko prevzema nove plasti informacij iz teh vznemirljivih poskusov.
Naslednji del postopka izdelave je navdihnila biomineralizacija – način, kako nekatera živa tkiva proizvajajo minerale, da postanejo trši, kot so kosti.
Kako lahko izboljšamo mehanske lastnosti navadnih materialov, vendar jih strukturiramo na nanometru?
»Zelo nas je zanimalo raziskovanje, kako lahko izboljšamo mehanske lastnosti navadnih materialov, kot je steklo, vendar jih strukturiramo na nanometru,« je dejal Gang.
Znanstveniki so uporabili zelo tanko plast kremenčevega stekla, debeline le približno 5 nm ali nekaj sto atomov, za prevleko okvirjev DNK, pri čemer so notranji prostori ostali odprti in zagotovili, da je nastali material ultra lahek. V tem majhnem obsegu je steklo neobčutljivo na napake ali okvare, kar zagotavlja trdnost, ki je ni opaziti pri večjih kosih stekla, kjer nastanejo razpoke in povzročijo, da se razbije. Ekipa je želela natančno vedeti, kako močan je bil ta material, kar je v tem obsegu zahtevalo nekaj zelo specializirane opreme.
Kako preveriti trdnost materiala?
Foto: VPanteon iz iStock
Obstajajo preprosti načini, kako preveriti, ali je nekaj trdno. Zbadanje, potiskanje in naslanjanje na površine ter opazovanje njihovega vedenja lahko pogosto zagotovi koristne informacije. Ali se pod obremenitvijo upognejo, škripajo, upognejo ali trdno stojijo? To je preprost, a učinkovit način za razumevanje trdnosti predmeta, tudi brez orodij za natančno merjenje. Kako pritisniti na predmet, ki je premajhen, da bi ga videli?
»Za merjenje moči teh drobnih struktur smo uporabili tehniko, imenovano nanoindentacija,« je pojasnil Michelson. »Nanoindentacija je mehanski test v zelo majhnem obsegu, ki se izvaja z uporabo natančnega instrumenta, ki lahko uporablja in meri uporovne sile. Naši vzorci so debeli le nekaj mikronov, približno tisočinko milimetra, zato je te materiale nemogoče izmeriti z običajnimi sredstvi. Z uporabo elektronskega mikroskopa in nanoindentacije skupaj lahko hkrati merimo mehansko obnašanje in opazujemo proces stiskanja.«
Ko majhna naprava stisne ali vdolbi vzorec, lahko raziskovalci izvajajo meritve in opazujejo mehanske lastnosti. Nato lahko vidijo, kaj se zgodi z materialom, ko se stiskanje sprosti in se vzorec vrne v prvotno stanje. Če nastanejo kakršne koli razpoke ali če struktura kadar koli odpove, se lahko ti dragoceni podatki zabeležijo.
Pri preizkusu se je pokazalo, da je s steklom prevlečena mreža DNK štirikrat močnejša od jekla! Še bolj zanimivo je bilo to, da je bila njegova gostota približno petkrat manjša. Čeprav obstajajo materiali, ki so močni in veljajo za dokaj lahke, to še nikoli ni bilo doseženo v tej meri.
Prihodnost prinaša še trše materiale
»Sodelovali smo s Seok-Woo Leejem, izrednim profesorjem na Univerzi v Connecticutu, ki ima strokovno znanje o mehanskih lastnostih materialov,« je dejal Gang. »Bil je uporabnik CFN, ki je izkoristil nekatere naše zmogljivosti in vire, kot so elektronski mikroskopi, tako smo razvili odnos z njim. Sprva nismo imeli zmogljivosti za nanoindentacijo, vendar nas je pripeljal do ustreznih orodij in dobil smo na pravi poti. To je še en primer, kako imajo znanstveniki iz akademskih krogov in nacionalnih laboratorijev koristi od sodelovanja. Zdaj imamo ta orodja in strokovno znanje, da takšne študije popeljemo še dlje.«
Medtem ko je treba opraviti še veliko dela, preden začnemo širiti in razmišljamo o neštetih aplikacijah za tak material, še vedno obstajajo razlogi, da so znanstveniki za materiale navdušeni nad tem, kaj to pomeni v prihodnje. Ekipa namerava pogledati druge materiale, kot je karbidna keramika, ki so celo močnejši od stekla, da bi videli, kako delujejo in se obnašajo. To bi lahko vodilo do še močnejših lahkih materialov v prihodnosti.
Novinar
