科学者たちは、無機物と有機物など、非常に異なる種類のナノサイズの材料コンポーネント、いわゆる「ナノオブジェクト」を、所望の3D構造に組み立てるためのプラットフォームを開発しました。自己組織化（SA）はこれまで様々な種類のナノ材料の組織化に成功してきましたが、そのプロセスは極めてシステム特異性が高く、材料の固有の特性に基づいて異なる構造を生成します。本日Nature Materials誌に掲載された論文によると、この新しいDNAプログラム可能なナノファブリケーションプラットフォームは、ナノスケール（10億分の1メートル）において、様々な3D材料を同じ方法で組織化するために適用でき、独自の光学的、化学的、その他の特性が発現します。
「SAが実用化に適した技術ではない主な理由の一つは、様々な材料に同じSAプロセスを適用して、異なるナノコンポーネントから同一の3D配列アレイを作成することができないことです」と、ブルックヘブン国立研究所にある米国エネルギー省（DOE）科学局ユーザー施設である機能性ナノマテリアルセンター（CFN）のソフト・バイオナノマテリアルグループリーダーであり、コロンビア工科大学で化学工学および応用物理学・材料科学の教授を務める責任著者のオレグ・ガン氏は説明する。「今回、金属、半導体、さらにはタンパク質や酵素を含む様々な無機または有機ナノ物体をカプセル化できる剛性多面体DNAフレームを設計することで、SAプロセスと材料特性を切り離しました。」
科学者たちは、立方体、八面体、四面体の形状の合成DNAフレームを設計しました。フレーム内部には、相補的なDNA配列を持つナノオブジェクトのみが結合できるDNA「アーム」が配置されています。これらの物質ボクセル（DNAフレームとナノオブジェクトの統合体）は、マクロスケールの3D構造を構成する構成要素となります。フレームは、頂点にエンコードされた相補的な配列に基づいて、内部にどのようなナノオブジェクトが存在するか（あるいは存在しないか）に関係なく、互いに結合します。フレームの形状によって頂点の数が異なり、それによって全く異なる構造が形成されます。フレーム内部に収容されたナノオブジェクトは、それぞれ特定のフレーム構造を形成します。
科学者たちは、この組み立て手法を実証するために、DNAフレーム内に配置する無機および有機ナノ物体として、金属（金）および半導体（セレン化カドミウム）ナノ粒子と細菌タンパク質（ストレプトアビジン）を選択しました。まず、CFN電子顕微鏡施設とヴァン・アンデル研究所（生物試料を極低温で分析できる装置群を有する）において、電子顕微鏡による画像化を行い、DNAフレームの完全性と物質ボクセルの形成を確認しました。次に、ブルックヘブン研究所にあるDOE科学局ユーザー施設である国立シンクロトロン光源II（NSLS-II）のコヒーレント硬X線散乱および複合物質散乱ビームラインで3次元格子構造を詳細に調べました。コロンビア工科大学ビホフスキー校化学工学教授のサナット・クマール氏と彼のグループは計算モデリングを行い、実験的に観察された格子構造（X線散乱パターンに基づく）が物質ボクセルが形成できる最も熱力学的に安定した構造であることを明らかにした。
「これらの物質ボクセルにより、原子（および分子）とそれらが形成する結晶から得られたアイデアを活用し、この膨大な知識とデータベースをナノスケールの対象システムに移植することが可能になります」とクマール氏は説明した。
コロンビア大学のギャング教授の学生たちは、化学的機能と光学的機能を備えた2種類の異なる材料の組織化を促進するために、この組み立てプラットフォームをどのように使用できるかを実証しました。あるケースでは、2つの酵素を共組み立て、高密度に充填された3Dアレイを作成しました。酵素は化学的には変化していませんでしたが、酵素活性は約4倍に増加しました。これらの「ナノリアクター」はカスケード反応を操作し、化学的に活性な材料の製造を可能にするために使用できます。光学材料のデモンストレーションでは、2つの異なる色の量子ドットを混合しました。量子ドットは、高彩度で高輝度のテレビディスプレイを作成するために使用されている微小なナノ結晶です。蛍光顕微鏡で撮影した画像では、形成された格子が光の回折限界（波長）を下回って色純度を維持していることが示されました。この特性により、さまざまなディスプレイや光通信技術で解像度を大幅に向上させることができます。
「材料がどのように形成され、どのように機能するかを再考する必要があります」とガン氏は述べた。「材料の再設計は必ずしも必要ではないかもしれません。既存の材料を新しい方法でパッケージングするだけで、その特性を強化できる可能性があります。私たちのプラットフォームは、3Dプリンティング製造の枠を超え、はるかに小さなスケールで、より多様な材料と設計された組成で材料を制御するための技術となる可能性があります。同じアプローチを用いて、異なる材料クラスの所望のナノオブジェクトから3D格子を形成し、通常は互換性がないと考えられていたものを統合することで、ナノ製造に革命をもたらす可能性があります。」
資料はDOE/ブルックヘブン国立研究所より提供されました。注：コンテンツはスタイルや長さの都合により編集される場合があります。
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投稿日時: 2022年7月4日