Forscher haben ein neuartiges Material geschaffen, indem sie DNA mit einer reinen Glasform beschichtet haben, was zu einer Substanz führte, die leichter und fester als Stahl ist. Diese bahnbrechende Entdeckung, die die nanoskalige Strukturierung von Glas und die einzigartigen Eigenschaften der DNA nutzt, birgt Potenzial für vielfältige Anwendungen in der Technik und Verteidigung. (Künstlerkonzept)
Forscher entwickelten ein leichtes und dennoch starkes Material, indem sie zwei unerwartete Zutaten kombinierten – DNA und Glas.
Arbeiten bei der nanoskalig vermittelt Wissenschaftlern ein tiefes Verständnis und Präzision bei der Herstellung und Analyse von Materialien. Bei der Produktion im größeren Maßstab und sogar in natürlichen Umgebungen sind zahlreiche Materialien anfällig für Defekte und Verunreinigungen, die ihre komplexe Architektur beeinträchtigen können. Solche Schwachstellen können dazu führen, dass sie unter Druck brechen. Dies ist bei den meisten Glasarten besonders deutlich zu erkennen, was zu seinem Ruf als zerbrechliches Material führt.
Wissenschaftlern der Columbia University, der University of Connecticut und des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) gelang es, eine reine Glasform herzustellen und spezielle Glasstücke zu beschichten DNA Damit entstand ein Material, das nicht nur stärker als Stahl, sondern auch unglaublich leicht war. Materialien, die diese beiden Eigenschaften besitzen, sind selten, und weitere Forschung könnte zu neuartigen technischen und verteidigungstechnischen Anwendungen führen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Cell Rberichtet über Physikalische Wissenschaften.
DNA – Die Bausteine für Leben und mehr
In Lebewesen Desoxyribonukleinsäure Säure, besser bekannt als DNA, enthält biologische Informationen, die den Zellen von Organismen Anweisungen geben, wie sie sich bilden, wachsen und reproduzieren sollen. Das Material, aus dem DNA besteht, ist als Polymer bekannt, eine Klasse robuster, elastischer Materialien, zu denen Kunststoff und Gummi gehören. Ihre Widerstandsfähigkeit und Einfachheit haben Materialwissenschaftler fasziniert und viele interessante Experimente inspiriert. Oleg Gang, Materialwissenschaftler am Center for Functional Nanomaterials (CFN), Nutzereinrichtung des DOE Office of Science am Brookhaven Lab und Professor am Universität von Columbianutzt seit Jahren die einzigartigen Eigenschaften der DNA für die Materialsynthese, was zu zahlreichen Entdeckungen führte. Diese neuartige Technologie hat eine Reihe innovativer Anwendungen inspiriert – von der Medikamentenverabreichung bis hin zur Elektronik.
Oleg Gang (im Bild dahinter) und Aaron Michelson nutzen die speziellen Ressourcen von CFN, um die überraschende Stärke dieser neuartigen Materialstruktur zu messen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory
Gang hatte zuvor mit dem Hauptautor der Arbeit, dem Postdoktoranden Aaron Michelson aus Brookhaven, an einem Experiment gearbeitet, bei dem DNA-Strukturen zum Aufbau eines robusten Gerüsts für neuartige Materialien verwendet wurden. DNA-Moleküle verhalten sich auf interessante Weise. Die einzelnen Nukleotide, Grundeinheiten von Nukleinsäuren wie DNA und RNAbestimmen die Bindung zwischen komplementären Sequenzen. Die präzise Art und Weise, wie sie miteinander verbunden sind, ermöglicht es Wissenschaftlern, Methoden zu entwickeln, um die Faltung der DNA in bestimmte Formen zu steuern, die als „Origami“ bezeichnet werden und nach der japanischen Kunst des Papierfaltens benannt sind. Bei diesen DNA-Formen handelt es sich um nanoskalige Bausteine, die mithilfe adressierbarer DNA-Bindungen so programmiert werden können, dass sie sich „selbst zusammensetzen“. Das bedeutet, dass sich aus diesen Origami-DNA-Blöcken spontan wohldefinierte Strukturen mit einem sich wiederholenden Muster bilden können.
Diese Blöcke haften dann zusammen und bilden ein größeres Gitter – eine Struktur mit einem sich wiederholenden Muster. Dieser Prozess ermöglicht es Wissenschaftlern, 3D-geordnete Nanomaterialien aus DNA aufzubauen und anorganische Nanopartikel und Proteine zu integrieren, wie frühere Studien der Gruppe gezeigt haben. Nachdem Gang, Michelson und ihr Team diesen einzigartigen Montageprozess verstanden und kontrolliert hatten, konnten sie untersuchen, was erreicht werden könnte, wenn dieses biomolekulare Gerüst zur Herstellung von Silica-Gerüsten verwendet würde, die die Gerüstarchitektur bewahren.
„Wir haben uns darauf konzentriert, DNA als programmierbares Nanomaterial zu verwenden, um ein komplexes 3D-Gerüst zu bilden“, sagte Michelson, „und wir wollten untersuchen, wie sich dieses Gerüst mechanisch verhält, wenn es in stabilere Festkörpermaterialien übertragen wird.“ Wir haben untersucht, wie dieses selbstorganisierende Material in Quarzglas gegossen wird, dem Hauptbestandteil von Glas, und welches Potenzial es bietet.“
Michelsons Arbeit auf diesem Gebiet brachte ihm den Robert Simon Memorial Prize der Columbia University ein. Seine Forschung zu DNA-Gerüsten hat eine Reihe von Eigenschaften und Anwendungen erforscht, von mechanischen Eigenschaften bis hin zur Supraleitung. Ähnlich wie die Strukturen, auf denen er aufbaut, wächst und baut sich auch Michelsons Arbeit weiter auf, während sie aus diesen aufregenden Experimenten neue Informationsebenen annimmt.
Ein mikroskopischer Blick darauf, wie diese DNA-Stränge Formen bilden, die in größere, mit Siliziumdioxid überzogene Gitterstrukturen eingebaut werden. CFN, JEOL-1400 TEM und Hitachi-4800 SEM. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory
Der nächste Teil des Herstellungsprozesses wurde von der Biomineralisation inspiriert – der Art und Weise, wie bestimmte lebende Gewebe Mineralien produzieren, um härter zu werden, wie z. B. Knochen.
„Wir waren sehr daran interessiert zu erforschen, wie wir die mechanischen Eigenschaften normaler Materialien wie Glas verbessern und sie dabei im Nanomaßstab strukturieren können“, sagte Gang.
Die Wissenschaftler verwendeten eine sehr dünne Schicht Quarzglas, nur etwa 5 nm oder einige hundert Atome dick, um die DNA-Rahmen zu beschichten, wodurch die Innenräume offen blieben und sichergestellt wurde, dass das resultierende Material ultraleicht ist. In diesem kleinen Maßstab ist das Glas unempfindlich gegenüber Fehlern und Mängeln und bietet eine Festigkeit, die bei größeren Glasstücken nicht zu finden ist, bei denen sich Risse bilden und zum Zersplittern führen. Das Team wollte jedoch genau wissen, wie stark dieses Material ist, was in dieser Größenordnung eine sehr spezielle Ausrüstung erforderte.
Stärke unter Druck
Es gibt einfache Methoden, um zu überprüfen, ob etwas stabil ist. Das Stochern, Schieben und Anlehnen an Oberflächen sowie die Beobachtung ihres Verhaltens können oft hilfreiche Informationen liefern. Biegen, knarren, knicken sie oder bleiben sie der Belastung standhaft? Dies ist eine einfache, aber effektive Möglichkeit, die Stärke eines Objekts zu verstehen, auch ohne Werkzeuge, um es genau zu messen. Aber wie drückt man auf ein Objekt, das zu klein ist, um es zu sehen?
„Um die Stärke dieser winzigen Strukturen zu messen, verwendeten wir eine Technik namens Nanoindentation“, erklärte Michelson. „Nanoindentation ist ein mechanischer Test in sehr kleinem Maßstab, der mit einem präzisen Instrument durchgeführt wird, das Widerstandskräfte anwenden und messen kann. Unsere Proben sind nur wenige Mikrometer dick, etwa ein Tausendstel Millimeter, daher ist es unmöglich, diese Materialien mit herkömmlichen Methoden zu messen. Durch die Kombination von Elektronenmikroskop und Nanoindentation können wir gleichzeitig das mechanische Verhalten messen und den Prozess der Kompression beobachten.“
Eine Grafik, die das Nanogitter in diesem Experiment mit der relativen Festigkeit verschiedener Materialien vergleicht. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory
Während das winzige Gerät die Probe komprimiert oder eindringt, können Forscher Messungen durchführen und mechanische Eigenschaften beobachten. Sie können dann sehen, was mit dem Material passiert, wenn die Komprimierung aufgehoben wird und das Sample in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Sollten sich Risse bilden oder die Struktur an irgendeiner Stelle versagen, können diese wertvollen Daten aufgezeichnet werden.
Im Test erwies sich das glasbeschichtete DNA-Gitter als viermal stärker als Stahl! Noch interessanter war, dass seine Dichte etwa fünfmal geringer war. Obwohl es Materialien gibt, die stabil sind und als relativ leicht gelten, wurde dies noch nie erreicht.
Allerdings war diese Technik bei CFN nicht immer verfügbar.
„Wir haben mit Seok-Woo Lee zusammengearbeitet, einem außerordentlichen Professor an der University of Connecticut, der über Fachkenntnisse in den mechanischen Eigenschaften von Materialien verfügt“, sagte Gang. „Er war ein CFN-Benutzer, der einige unserer Fähigkeiten und Ressourcen nutzte, wie zum Beispiel Elektronenmikroskope, und so entwickelten wir eine Beziehung zu ihm. Anfangs verfügten wir nicht über die Fähigkeit zur Nanoindentation, aber er führte uns zu den richtigen Werkzeugen und brachte uns auf den richtigen Weg. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie Wissenschaftler aus Hochschulen und nationalen Laboren von der Zusammenarbeit profitieren. Jetzt verfügen wir über diese Werkzeuge und das Fachwissen, um Studien wie diese noch weiter voranzutreiben.“
Etwas Neues und Aufregendes aufbauen
Auch wenn noch viel Arbeit zu leisten ist, bevor ein solches Material skaliert und über die unzähligen Anwendungsmöglichkeiten nachgedacht wird, gibt es für Materialwissenschaftler immer noch Grund, gespannt darauf zu sein, was dies für die Zukunft bedeutet. Das Team plant, andere Materialien wie Karbidkeramik zu untersuchen, die noch stärker als Glas sind, um zu sehen, wie sie funktionieren und sich verhalten. Dies könnte in Zukunft zu noch stärkeren Leichtbaumaterialien führen.
Obwohl seine Karriere noch in den Kinderschuhen steckt, hat Michelson bereits so viel erreicht und kann es kaum erwarten, mit den nächsten Phasen seiner Forschung zu beginnen.
„Es ist eine wunderbare Gelegenheit, Postdoktorand am Brookhaven Lab zu sein, insbesondere nachdem ich als Student der Columbia University oft am CFN gearbeitet habe“, erinnert sich Michelson. „Das hat mich dazu bewogen, dort als Postdoc weiterzumachen. Die Fähigkeiten, über die wir am CFN verfügen, insbesondere im Hinblick auf die Bildgebung, haben meiner Arbeit wirklich geholfen.“
Referenz: „Hochfestes, leichtes nanoarchitektonisches Siliziumdioxid“ von Aaron Michelson, Tyler J. Flanagan, Seok-Woo Lee und Oleg Gang, 27. Juni 2023, Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475