;
Новости 21 марта 2021

Новый 3D-материал с ДНК настолько прочен, что может летать в космосе

Далее

Исследователи Columbia Engineering cоздали спроектированные трехмерные материалы на основе наночастиц, которые могут выдерживать вакуум, высокие температуры, высокое давление и высокую радиацию. Этот новый процесс производства приводит к созданию прочных и полностью сконструированных наноразмерных каркасов, которые не только могут вмещать различные функциональные типы наночастиц, но также могут быть быстро обработаны с помощью традиционных методов нанотехнологий.

Эти самособирающиеся материалы на основе наночастиц настолько устойчивы, что могут летать в космосе. Ученые смогли перевести трехмерную архитектуру ДНК-наночастиц из жидкого состояния в твердое, где диоксид кремния усиливает структуры ДНК. Этот новый материал полностью сохраняет свою первоначальную каркасную архитектуру решетки ДНК-наночастиц. Это позволило ученым впервые изучить, как эти наноматериалы могут бороться с суровыми условиями, как они образуются и каковы их свойства.

Свойства материалов на наноуровне различаются, и исследователи давно изучают, как использовать эти крошечные материалы — от 1000 до 10000 раз меньше толщины человеческого волоса — во всех областях: от изготовления датчиков для телефонов до создания более быстрых микросхем для ноутбуков. Однако методы изготовления были сложными при реализации трехмерных наноархитектур. Нанотехнология ДНК позволяет создавать сложно организованные материалы из наночастиц путем самосборки, но учитывая мягкую и зависящую от окружающей среды природу ДНК, такие материалы могут быть стабильными только в узком диапазоне условий. Напротив, недавно сформированные материалы теперь могут использоваться в широком диапазоне приложений, где требуются эти инженерные конструкции. В то время как традиционное нанофабрикация превосходно подходит для создания плоских структур, новый метод позволяет изготавливать трехмерные наноматериалы, которые становятся необходимыми для многих электронных, оптических и энергетических приложений.

Новое исследование демонстрирует эффективный метод преобразования трехмерных решеток наночастиц ДНК в копии кремнезема, сохраняя при этом топологию межчастичных связей за счет структур ДНК и целостность организации наночастиц. Кремнезем работает хорошо, потому что он помогает сохранить наноструктуру решетки родительской ДНК, образует прочную структуру и не влияет на расположение наночастиц.

«ДНК в таких решетках приобретает свойства кремнезема. Он становится стабильным на воздухе, его можно сушить, что позволяет впервые проводить трехмерный наноразмерный анализ материала в реальном космосе. Кроме того, кремнезем обеспечивает прочность и химическую стабильность, он не требует больших затрат и может быть модифицирован по мере необходимости удобный материал».

Аарон Майкельсон, Columbia Engineering.

Чтобы узнать больше о свойствах своих наноструктур, команда подвергала преобразованные в диоксид кремния решетки наночастиц ДНК в экстремальных условиях: высокие температуры выше 10 000°C и высокие механические напряжения более 8 ГПа (примерно в 80 000 раз больше, чем атмосферное давление или в 80 раз больше, чем в самом глубоком месте океана — Марианской впадине), и изучили эти процессы на месте. Чтобы оценить жизнеспособность структур для применения и дальнейших этапов обработки, исследователи также подвергли их воздействию высоких доз радиации и сфокусированных ионных пучков.

«Наш анализ применимости этих структур в сочетании с традиционными методами нанопроизводства демонстрирует действительно надежную платформу для создания упругих наноматериалов с помощью основанных на ДНК подходов к обнаружению их новых свойств. Это большой шаг вперед, поскольку эти особые свойства означают, что мы можем использовать нашу сборку 3D-наноматериалов и по-прежнему иметь доступ ко всему спектру этапов обработки обычных материалов. Эта интеграция новых и традиционных методов нанопроизводства необходима для достижения прогресса в механике и электронике, плазмонике, фотонике, сверхпроводимости и энергетических материалах».

Олег Ганг, профессор химической инженерии, прикладной физики и материаловедения

Компьютеры производятся из кремния более 40 лет. Потребовалось 40 лет, чтобы довести производство планарных структур и устройств примерно до 10 нм. Теперь мы можем изготавливать и собирать нанообъекты в пробирке за пару часов без дорогостоящих инструментов. Восемь миллиардов соединений на одной решетке теперь могут быть организована для самосборки с помощью наноразмерных процессов, которые мы можем спроектировать. Каждое соединение может быть транзистором, датчиком или оптическим излучателем — каждое из них может быть хранимым битом данных. В то время как закон Мура замедляется, программируемость сборки ДНК приближается к нулю, чтобы продвигать нас вперед в решении проблем в области новых материалов и нанопроизводства. Хотя это было чрезвычайно сложно для нынешних методов, это чрезвычайно важно для новых технологий.

Читать также:

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Послушайте, как ровер НАСА Perseverance передвигается по Марсу.

Люди могут выдерживать очень низкие температуры даже без источников тепла.

Загрузка...