La combinazione inaspettata di DNA e vetro
Il lavoro a livello nanometrico permette agli scienziati di comprendere e manipolare i materiali con grande precisione. Tuttavia, nella produzione su larga scala e anche in ambienti naturali, molti materiali sono soggetti a difetti e contaminanti che possono compromettere la loro architettura complessa. Queste vulnerabilità possono causare la loro frattura sotto pressione, un fenomeno particolarmente evidente nella maggior parte dei tipi di vetro, che ne ha consolidato la reputazione di materiale fragile.
Un team di ricerca internazionale
Scienziati della Columbia University, dell’Università del Connecticut e del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory sono riusciti a fabbricare una forma pura di vetro e a rivestire con essa particolari pezzi di DNA, creando un materiale non solo più resistente dell’acciaio, ma incredibilmente leggero. I materiali che possiedono entrambe queste qualità sono rari, e ulteriori ricerche potrebbero portare a nuove applicazioni nell’ingegneria e nella difesa. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Cell Reports Physical Science.
Il DNA: i mattoni della vita e molto altro
Negli esseri viventi, l’acido desossiribonucleico, più comunemente noto come DNA, trasporta informazioni biologiche che istruiscono le cellule degli organismi su come formarsi, crescere e riprodursi. Il materiale di cui è fatto il DNA è noto come polimero, una classe di materiali resistenti ed elastici che include plastica e gomma. La loro resilienza e semplicità hanno affascinato gli scienziati dei materiali e ispirato molti esperimenti interessanti. Oleg Gang, uno scienziato dei materiali presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN), un’infrastruttura del DOE Office of Science presso il Brookhaven Lab, e professore alla Columbia University, ha sfruttato le proprietà uniche del DNA per la sintesi dei materiali per anni, ottenendo numerose scoperte. Questa tecnologia innovativa ha ispirato una serie di applicazioni innovative, dalla consegna di farmaci all’elettronica.
Il processo di fabbricazione del materiale
La struttura del DNA come base per nuovi materiali
Gang aveva precedentemente lavorato con l’autore principale dell’articolo, il ricercatore post-dottorato del Brookhaven Aaron Michelson, su un esperimento che utilizzava strutture di DNA per costruire un solido telaio per nuovi materiali. Le molecole di DNA si comportano in modo interessante. I nucleotidi individuali, unità di base degli acidi nucleici come il DNA e l’RNA, determinano il legame tra sequenze complementari. Il modo preciso in cui si legano l’uno all’altro permette agli scienziati di sviluppare metodi per ingegnerizzare la piegatura del DNA in forme specifiche, chiamate “origami”, dal nome dell’arte giapponese della piegatura della carta. Queste forme di DNA sono mattoni di costruzione nanometrici che possono essere programmati utilizzando legami di DNA indirizzabili per “auto-assemblarsi”. Ciò significa che strutture ben definite con un modello ripetitivo possono formarsi spontaneamente da questi blocchi di origami di DNA.
Il rivestimento del DNA con vetro
Questi blocchi si aggrappano tra loro per formare un reticolo più grande, una struttura con un modello ripetitivo. Questo processo permette agli scienziati di costruire nanomateriali 3D ordinati a partire dal DNA e di integrare nanoparticelle inorganiche e proteine, come dimostrato dai precedenti studi del gruppo. Dopo aver acquisito una comprensione e un controllo di questo unico processo di assemblaggio, Gang, Michelson e il loro team sono stati in grado di esplorare cosa potrebbe essere ottenuto quando quella impalcatura biomolecolare veniva utilizzata per creare strutture di silice che preservano l’architettura dell’impalcatura.
La resistenza del materiale sotto pressione
Per misurare la resistenza di queste piccole strutture, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata nanoindentazione. La nanoindentazione è un test meccanico su una scala molto piccola eseguito utilizzando un strumento preciso che può applicare e misurare forze resistive. I campioni sono spessi solo pochi micron, circa un millesimo di millimetro, quindi è impossibile misurare questi materiali con mezzi convenzionali. Utilizzando un microscopio elettronico e la nanoindentazione insieme, i ricercatori possono misurare contemporaneamente il comportamento meccanico e osservare il processo di compressione.
Costruire qualcosa di nuovo ed emozionante
Sebbene ci sia ancora molto lavoro da fare prima di pensare alla scalabilità e alle molteplici applicazioni di un tale materiale, ci sono comunque motivi per cui gli scienziati dei materiali dovrebbero essere entusiasti di ciò che questo significa per il futuro. Il team prevede di esaminare altri materiali, come i ceramici a base di carburo, che sono ancora più resistenti del vetro, per vedere come funzionano e si comportano. Questo potrebbe portare a materiali leggeri ancora più resistenti in futuro.