В последние десятилетия технологии нанопроизводства привлекают внимание ученых и инженеров благодаря своей способности создавать устройства и материалы с уникальными свойствами. В новой работе исследователей из Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории представлен метод самосборки 3D-наноструктур, использующий ДНК в качестве строительных блоков. Этот метод, по сути, заменяет традиционные подходы в создании микро- и наноустройств, такие как литография и 3D-печать, которые сталкиваются с ограничениями в наномасштабе.

Как это работает?

Исследователи создали метод, при котором ДНК используется для самосборки сложных 3D-структур, таких как «нано-Эмпайр-стейт-билдинг». В отличие от традиционных методов, которые строят каждый элемент по очереди, их процесс самосборки позволяет компоновать элементы параллельно, что значительно ускоряет производство и снижает его стоимость.

Чтобы создать эти наноразмерные устройства, команда использует воксельные строительные блоки — это молекулы ДНК, которые сворачиваются в предсказуемые формы и могут соединяться между собой, формируя сложные 3D-структуры. Они используют алгоритм под названием MOSES (Mapping Of Structurally Encoded Assembly), который позволяет оптимизировать этот процесс и минимизировать количество информации для сборки. Это можно рассматривать как 3D-печать следующего поколения, которая работает в наномасштабе и использует природные молекулы для создания сложных материалов.

Преимущества самосборки на основе ДНК

1. Экологичность и простота: Процесс происходит полностью в воде, что делает его экологически чистым и не требует применения традиционных химических методов. Кроме того, для создания этих структур не нужны сложные или дорогие инструменты, используемые в литографии.
2. Масштабируемость и параллельность: Самосборка позволяет создавать множество компонентов одновременно, что существенно ускоряет процесс и снижает его стоимость. Это может привести к массовому производству наноустройств с возможностями для различных приложений.
3. Уникальные возможности: Использование ДНК как строительных блоков позволяет создавать материалы с уникальными свойствами, такими как специфическая оптическая или магнитная активность. Например, интеграция наночастиц золота в такие структуры позволяет создавать материалы с уникальными оптическими свойствами.

Применения

Этот метод может открыть новые горизонты для нанотехнологий в таких областях, как:

• Электроника: Разработка миниатюрных устройств, включая датчики, которые могут быть интегрированы в микрочипы для различных приложений, от медицины до IoT.
• Оптика: Разработка новых оптических компонентов, таких как световые сенсоры или зеркала для наноскопических устройств.
• Медицина: Создание биоскаффолдов — каркасных структур, которые могут быть использованы для выращивания клеток или создания тканей для медицинских приложений.
• Нейроморфные вычисления: Проектирование структур, которые могут моделировать работу нейронных сетей, возможно, приведет к созданию более эффективных и мощных нейроподобных компьютеров.

Будущее 3D-нанопроизводства

В будущем этот метод может быть использован для создания даже более сложных 3D-структур, таких как имитация структуры человеческого мозга. Ганг и его коллеги планируют использовать свою платформу для создания более сложных моделей и устройств, что сделает 3D-печать на основе ДНК доступной для массового производства.

Как отмечает Олег Ганг, «мы находимся на пути к созданию платформы для массового нанопроизводства, которая использует преимущества самосборки, обеспечивая гораздо более быстрые и эффективные способы создания материалов».

Источник