פס-ייצור מבוסס-ד.נ.א. ליצירת ננו-מבנים

מדענים ממשרד האנרגיה של ארה”ב פיתחו פס-ייצור מולקולארי עבור ננו-בנייה מדויקת ומהימנה, בהתבסס על רעיון השימוש בד.נ.א. לחיבורם של ננו-חלקיקים

מדענים ממשרד האנרגיה של ארה”ב פיתחו פס-ייצור מולקולארי עבור ננו-בנייה מדויקת ומהימנה, בהתבסס על רעיון השימוש בד.נ.א. לחיבורם של ננו-חלקיקים. ננו-ייצור אמין ומחזורי שכזה הינו חיוני לשם ניצול המאפיינים הייחודיים של ננו-חלקיקים ביישומים כגון חישנים ביולוגיים והתקנים להמרת קרני-אור לחשמל. המחקר פורסם בכתב-העת המדעי Nature Materials.

צוות המחקר השתמש כבר בעבר בד.נ.א., הפרודה האוצרת בתוכה את הצופן הגנטי לחיים, לשם חיבור ננו-חלקיקים במגוון סידורים, בכללם מבנה תלת-מימדי של ננו-גבישים. הרעיון מתבסס על העובדה כי ננו-חלקיקים המצופים בגדילים משלימים של ד.נ.א. – מקטעים של רצף צופן גנטי הנקשרים רק אחד לשני בצורה בררנית ביותר – נעזרים בגדילים אלו בכדי לאתר ולחבור אחד לשני ברמה בררנית ביותר. ע”י שינוי הרכב הגדילים המשלימים ואלו שאינם, מדענים מסוגלים לקבל בקרה מדויקת על כוחות המשיכה והדחייה שבין ננו-החלקיקים לקבלת המבנה הרצוי. יש לציין כי גדילי הד.נ.א. המקשרים הקצרים ששימשו במחקר זה הופקו באופן מלאכותי במעבדה והם אינם מקודדים לחלבון כלשהו, כפי שעושים הגנים בטבע.

ההתקדמות האחרונה הייתה השימוש במחברי-ד.נ.א. אלו בכדי לעגן חלק מננו-החלקיקים המצופים ד.נ.א. למשטח מוצק, המכיל קשיחות רבה יותר, ולבחון כיצד משתנה הבקרה על חיבורם של החלקיקים. מערך שכזה הוביל לדיוק רב יותר, ומכאן לשיטת בנייה חזויה ומחזורית יותר עבור קבלת מבנים ננו-חלקיקיים.

“כאשר חלקיק מקובע למשטח הוא אינו מסוגל עוד להגיב עם פרודות או חלקיקים אחרים באותה צורה שבה מגיב חלקיק חופשי לחלוטין,” הסביר הפיסיקאי Oleg( אולג גאנג (Gang, מרכז המחקר. זאת מאחר והמשטח חוסם כמחצית משטחו הפעיל של החלקיק. קישור מחבר-ד.נ.א. או חלקיק אחר, המגיבים באופן בררני ומדויק עם החלקיק המקובע, מאפשר בנייה של ננו-מבנים רצויים.

“באמצעות השליטה על מספרם ואורכם של מחברי-הד.נ.א. אנו מסוגלים לשנות את המרחקים שבין החלקיקים ואת המבנה הסופי המתקבל,” אמר החוקר הראשי. “יחד עם הבררנות הגבוהה של גדילי הד.נ.א., שיטת עיגון משטח זו מאפשרת שילוב מדויק של ננו-רכיבים אל תוך מבנים מורכבים יותר.”

“במקום סידור של מיליוני מיליונים של ננו-חלקיקים לכדי ננו-גבישים תלת-מימדיים, כפי שעשינו במחקר הקודם שלנו, שיטה חדשה זו מאפשרת סידור של מבנים הרבה יותר זעירים שמקורם בחלקיקים פרטניים.

המאמר של החוקרים מתאר את פרטי הייצור של מחברים סימטריים בין שני חלקיקים, המכונים דימרים, וכן את הייצור של צברי-חלקיקים זעירים וא-סימטריים – שניהם בניצולות גבוהות ובריכוזים נמוכים בלבד של תוצרי-לוואי.

“כאשר אנו מסדרים ננו-חלקיקים במבנה מסוים יכולים לצוץ מאפיינים חדשים,” מדגיש החוקר. “בהיבט זה, ננו-חלקיקים מקבילים לאטומים, אשר, בחיבורם לפרודה, לעיתים, מסוגלים להציג תכונות שלא היו קיימות קודם באטומים הנפרדים. גישתנו מאפשרת בנייה יעילה ומדויקת של ננו-“פרודות”. תכונותיהם של חומרים חדשים אלו יכולות להיות בעלות יתרונות עבור יישומים רבים.”

לדוגמא, במאמרם מתארים החוקרים תופעה אופטית המתרחשת כאשר ננו-חלקיקים מחוברים יחדיו לצברים דימריים. כאשר שדה אלקטרומגנטי מגיב עם החלקיקים המתכתיים, הוא משרה תנודה משותפת של אלקטרוני ההולכה בחומר. תופעה זו, המכונה תהודת פלזמון (Plasmon resonance), מובילה לבליעה חזקה של קרינה באורך-גל מסוים. “הגודל והמרחק שבין החלקיקים המחוברים משפיעים על ההתנהגות הפלזמונית,” מסביר החוקר הראשי. ע”י כוונון המשתנים הללו מדענים אולי יוכלו לבנות בעתיד צברים הבולעים מגוון אורכי-גל ואשר ישמשו בהתקנים להמרת אנרגיה סולארית. אפנון תגובת הפלזמון יוכל להיות שימושי גם כאמצעי חדש להעברת מידע, או כסיגנל למשפחה חדשה של ביו-חיישנים בררניים ביותר.

צברים אסימטריים, שגם אותם הפיקו החוקרים, מאפשרים רמת בקרה עוד יותר גבוהה, ועל-כן מבנים אלו סוללים דרכים חדשות לתכנון וייצור ננו-חומרים תפקודיים. החוקרים הגישו בקשות לפטנט עבור שיטת הבנייה החדשה הזו וכן עבור מספר יישומים מסוימים שלה.

הידיעה של מכון המחקר