Diatomlar küçük, tek hücreli canlılar, okyanuslar, göller, nehirler ve topraklarda yaşayan canlılardır. Solunumları sırasında, (dünyanın tropikal ormanları kadar) dünyadaki oksijenin neredeyse dörtte birine yakın üretiyorlar.
Gezegendeki ekolojik başarılarına ek olarak, birtakım olağanüstü özelliklere de sahipler. Diatomlar, şaşırtıcı ve estetik olarak güzel formlarda büyütme altında görülebilen kendi tasarımlarının camsı evlerinde yaşarlar.
Araştırmacılar, 18. yüzyılın sonlarında keşfettikleri bu doğadaki mikroskobik, mücevher benzeri ürünlerden ilham aldılar. Yeni bir çalışmada, Profesör Hao Yan’ın liderliğindeki Arizona Eyalet Üniversitesi (ASU) bilim adamları, Çin Bilimler Akademisi Şangay Uygulamalı Fizik ve Prof. Chunhai Fan liderliğindeki Şangay Jiaotong Üniversitesi araştırmacıları ile işbirliği içinde diyatom benzeri nano yapılardan oluşan bir dizi tasarladılar.
Bunu başarmak için, karmaşık katmanlarını büyütmek amacıyla, camda ana bileşen olan silis katmanlarını çökeltmek için doğal olarak oluşan diyatomlar tarafından kullanılan teknikleri örnek alırlar.
DNA origami olarak bilinen bir teknik kullanarak, grup elektriksel yük ile çekilen silika parçacıklarının yapışabildiği çeşitli şekillerde nano ölçekli platformlar tasarlanabilir.
DNA Tabanlı Mimari
Yeni araştırma, silis birikiminin sentetik, DNA tabanlı mimarilere etkin bir şekilde uygulanabileceğini, esneklik ve dayanıklılıklarını geliştirdiğini göstermektedir. Çalışma, nihayetinde yeni optik sistemler, yarıiletken nanolithografi, nano-elektronik, nano-robotik ve ilaç uygulamalarını içeren tıbbi uygulamalarda geniş kapsamlı uygulamalara sahip olabilir.
Yan, Milton D. Glick Kimya ve Biyokimya Profesörüdür ve Biodesign Moleküler Tasarım ve Biyomimetik Merkezi’ni yönetmektedir. Grubun bulguları Nature dergisinin ilerleyen çevrimiçi bölümünde bildirilmiştir.
Yan ve Fan gibi araştırmacılar, DNA‘yı bir yapı malzemesi olarak kullanarak, 2 ve 3 boyutlu olarak gelişmiş nano mimarileri yaratırlar. DNA origami olarak bilinen yöntem, adlarının A, T, C ve G kısaltması olan DNA‘nın dört nükleotidinin baz eşleme özelliklerine dayanır.
DNA çift sarmalının merdiven benzeri yapısı, birbiriyle bağlanan tamamlayıcı nükleotid dizileri olduğunda oluşur. C nükleotidleri olan Gs ve As ile her zaman Ts ile eşleşir. Bu öngörülebilir davranış, önceden tasarlanabilen, neredeyse sınırsız tasarlanmış mühendislik şekillerinin üretilmesi için kullanılabilir. Nano yapılar daha sonra bir test tüpünde kendiliğinden toplanır.
Yeni çalışmada araştırmacılar, DNA ile tasarlanan, her biri yalnızca bir metrenin milyarda biri olan mimarların, silikadan oluşan diyatom benzeri dış iskeletlerin hassas ve kontrol edilebilir bir şekilde büyüyebildiği yapısal çerçeveler olarak kullanılabileceğini görmek istedi. Başarılı sonuçları, yazarların DNA Origami Silisifikasyonu (DOS) dedikleri doğanın ve nano-mühendisliğin bu melez evliliğinin gücünü gösteriyor.
DNA’nın Silikat Yapıları
Yan “Burada, doğru kimyasalın, DNA‘nın silikat yapılarının geniş bir yelpazesinin karmaşık geometrik bilgisini kopyalayan DNA-silika melez malzemeleri üretmek için geliştirilebileceğini gösterdik. Bulgularımız, biyomimetik silika nanoyapılarını oluşturmak için genel bir yöntem oluşturdu” dedi.
Deneylerde tasarlanan ve inşa edilen geometrik DNA çerçeveleri arasında, 2D küpler, kareler, üçgenler ve DOS-diatom petek şekillerinin yanı sıra, 3D küpler, tetrahedronlar, hemisferler, toroid ve elipsoid formları, tek bir birim veya kafes olarak ortaya çıkmıştır.
DNA çerçeveleri tamamlandıktan sonra, pozitif yüklü bir silika parçacıkları kümeleri, elektriksel olarak negatif olan DNA şekillerinin yüzeylerine elektrostatik olarak çekilir. Birkaç gün boyunca, bir yumurta kabuğuna uygulanan ince boya gibi, bir araya toplanır. Elde edilen DOS formlarından bir seri transmisyon ve taramalı elektron mikrografları yapılmış, doğru ve etkili diyatom benzeri silikifikasyon ortaya çıkarılmıştır.
Yöntem, 10-1000 nanometre arasında değişen büyük çerçeveli, kavisli ve gözenekli nanoyapıların (en büyük yapıların kabaca bakteri boyutu) silisleşmesi için etkili olduğunu kanıtlamıştır. Silis katman kalınlığı üzerinde kesin kontrol, büyüme süresinin düzenlenmesiyle elde edilir.
Hibrid DOS-diatom nanoyapıları başlangıçta küçük formlarını, Transmission Elektron Mikroskobu (TEM) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ortaya çıkarabilen bir çift güçlü araç kullanılarak karakterize edildi. Elde edilen görüntüler silikanın çökeltilmesinden sonra nanoyapıların daha net çizgilerini ortaya koyuyor.
DNA Origami Litografisi
Nanofabrikasyon yöntemi çok hassastır. Araştırmacılar, DNA origami litografisini kullanarak bugüne kadar elde edilen en küçük çapta, çapı 10 nm’den daha az olan, eşit gözeneklere sahip üçgenler, kareler ve altıgenler üretebilmiştir.
Dahası, yeni çalışmada özetlenen teknik, araştırmacılara, mevcut yöntemlerle üretme konusunda zorlu olan rastgele biçimlerdeki 3D nanoyapıların inşası üzerinde daha doğru bir kontrol sağlamasıyla donatmaktadır.
Yan ve Fan gibi nano-mühendislere büyük ilgi gösteren doğal diyatomların bir özelliği, silis katmanlarının özgül gücüdür. Spesifik mukavemet, bir malzemenin yoğunluğuna göre kırılmaya karşı direncini ifade eder.
Bilim adamları diatomların silika mimarilerinin sadece ilham verici derecede zarif değil, aynı zamanda son derece zor olduklarını buldular. Gerçekten de, silika dış iskeletlerini kaplayan diyatomlar, kemik, boynuzları ve dişleri içeren biyolojik olarak üretilen herhangi bir malzemenin en yüksek özgül gücüne sahiptir.
Mevcut çalışmada, araştırmacılar, silisle güçlendirilmiş DNA nanoyapılarının kırılmaya karşı direncini ölçmek için AFM‘yi kullanmışlardır. Doğal muadilleri gibi, bu formlar da büyük esneklik ve dayanıklılık gösterdiler. Bu da, sarsılmaz tasarımlara kıyasla dayanabilecek güçlerde 10 kat artış göstermesine rağmen, önemli ölçüde esnekliği koruyordu.
DOS Nanoyapıları
Çalışma aynı zamanda, DOS nanoyapılarının geliştirilmiş sertliğinin, büyüme süreleriyle birlikte arttığını da göstermektedir. Yazarların da belirttiği gibi, bu sonuçlar, doğanın ürettiği biyominerallerin karakteristik mekanik özellikleriyle, etkileyici dayanıklılığı ve esnekliği bir araya getiriyor.
Son bir deney, bir DOS fabrikasyon cihazı için destekleyici destek olarak altın nanoroflar kullanılarak yeni bir 3D tetrahedral nanoyapı tasarımını içeriyordu. Bu yeni yapı, şekil değiştiren ve yıkılan silikasyonu olmayan benzer bir yapı ile karşılaştırıldığında, sadık bir biçimde şeklini koruyabildi.
Araştırma, DNA mimarilerinin silika veya kalsiyum fosfat, kalsiyum karbonat, ferrik oksit veya diğer metal oksitler de dahil olmak üzere diğer inorganik maddelerle kaplanabilecek şablonlar olarak işlev gördüğü nanoteknolojideki doğadan ilham alan yenilikler için bir yol açmaktadır.
Fan, “Yüksek mertebeden hibrit nanoyapıların oluşturulması için yöntemler geliştirmek istiyoruz. Örneğin, çok katmanlı / çok bileşenli hibrid materyaller, biyomimetik çeşitliliği daha da genişletmek için farklı malzemelerin kademeli olarak bırakılmasıyla elde edilebilir” dedi.
Bu yetenekler, hiyerarşik özelliklere sahip son derece programlanabilir katı hal nanoporları, tasarlanan yapısal periyodiklik, boşluk ve işlevsellik, plasmonik ve meta-malzemeler ile yeni gözenekli malzemelerle mühendisliğe yeni fırsatlar sunacaktır. Bu makalede gösterilen biyo-ilham ve biyomimetik yaklaşım, nano-elektronik, nano-fotonik ve nano-robotik gibi alanlarda 3 boyutlu şekil ve fonksiyonlara sahip olan ve çeşitli potansiyel uygulamalar sunan inorganik cihaz nanofabrikasyonu ile kullanım için genel bir çerçeveyi temsil etmektedir.
