Nanovidenskab går stort:​​Opdagelse kan føre til forbedret elektronik

Nanovidenskab har potentialet til at spille en enorm rolle i at forbedre en række produkter, inklusive sensorer, solceller og forbrugerelektronik. Forskere inden for dette felt har skabt et væld af materialer i nanoskala, såsom metal nanokrystaller, kulstofnanorør og halvledende nanotråde. Imidlertid, trods deres appel, det har været en forbløffende udfordring at konstruere orienteringen og placeringen af ​​disse materialer i de ønskede enhedsarkitekturer, der er reproducerbare i høje udbytter og til lave omkostninger - indtil nu.

Jen Cha, en UC San Diego nanoingeniør professor, og hendes team af forskere, har opdaget, at en måde at bygge bro over dette hul på er at bruge biomolekyler, såsom DNA og proteiner. Detaljer om denne opdagelse blev for nylig offentliggjort i et papir med titlen "Large Area Spatally Ordered Arrays of Gold Nanoptics Directed by Lithographyly Confined DNA Origami, "ind Natur nanoteknologi .

"Selvsamlede strukturer er ofte for små og overkommelige litografiske mønstre er for store, " sagde Albert Hung, hovedforfatter af Nature Nanotechnology papiret og en post doc, der arbejder i Chas laboratorium. "Men rationelt designede syntetiske DNA-nanostrukturer giver os mulighed for at få adgang til længdeskalaer mellem 5 og 100 nanometer og bygge bro mellem de to systemer.

"Folk har skabt et stort udvalg af unikke og funktionelle nanostrukturer, men for nogle tilsigtede anvendelser er de værdiløse, medmindre du kan placere individuelle strukturer, milliarder eller billioner af dem på samme tid, på præcise steder, " Hung tilføjede. "Vi håber, at vores forskning bringer os et skridt tættere på at løse dette meget vanskelige problem."

Hung sagde, at den nyligt opdagede metode kan være nyttig til fremstilling af elektroniske eller optiske kredsløb i nanoskala og multiplex-sensorer.

"En række grupper har arbejdet med dele af dette forskningsproblem før, men så vidt vi ved, vi er de første til at forsøge at behandle så mange dele sammen som en helhed, " han sagde.

En af de vigtigste anvendelser af denne forskning, som Cha og hendes gruppe er interesserede i, er sansning. "Der er ingen forudsigelig rute til at være i stand til at bygge en kompleks række af forskellige nanoskala sensing-elementer i øjeblikket, " sagde Cha, en tidligere IBM-forsker, der kom til UCSD Jacobs School of Engineering-fakultetet i 2008. "Vores arbejde er et af de første klare eksempler på, hvordan man kan fusionere top-down litografi med bottom-up selvsamling for at bygge sådan et array. Det betyder, at man har et substrat, der er mønstret af konventionel litografi, og så skal du tage det mønster og flette det sammen med noget, der kan styre samlingen af ​​endnu mindre genstande, såsom dem, der har dimensioner mellem 2 og 20 nanometer. Du skal bruge en mellemskabelon, som er DNA-origami, som har evnen til at binde sig til noget andet meget mindre og dirigere deres samling til den ønskede konfiguration. Det betyder, at vi potentielt kan bygge transistorer fra kulstofnanorør og muligvis også bruge nanostrukturer til at detektere bestemte proteiner i opløsninger. Forskere har talt om at mønstre forskellige sæt proteiner på et substrat, og nu har vi evnen til at gøre det."

Cha sagde, at det næste skridt ville være faktisk at udvikle en enhed baseret på denne forskningsmetode.

"Jeg er meget interesseret i anvendelsen af ​​denne forskning, og vi arbejder på at nå dertil, " hun sagde.

I de sidste 6 år, Chas forskning har fokuseret på at bruge biologi til at konstruere samlingen af ​​materialer i nanoskala til anvendelser inden for medicin, elektronik og energi. En af begrænsningerne ved nanovidenskab er, at den ikke tillader masseproduktion af produkter, men Chas arbejde er fokuseret på at prøve at finde ud af, hvordan man gør det og gøre det billigt. Meget af hendes seneste arbejde har fokuseret på at bruge DNA til at bygge 2D-strukturer.

"At bruge DNA til at samle materialer er et område, som mange mennesker er begejstrede for, " sagde Cha. "Du kan folde DNA til alt, hvad du vil - f.eks. du kan bygge et stort stillads og inden for det kan du samle meget små genstande såsom nanopartikler, nanotråde eller proteiner.

"Ingeniører skal forstå de fysiske kræfter, der er nødvendige for at bygge funktionelle arrays ud fra funktionelle materialer, " tilføjede hun. "Min opgave som nanoingeniør er at finde ud af, hvad du skal gøre for at sætte alle de forskellige dele sammen, uanset om det er et lægemiddelleveringsmiddel, fotovoltaiske applikationer, sensorer eller transistorer. Vi er nødt til at tænke på måder at tage alle nanomaterialerne og konstruere dem til noget, folk kan bruge og holde."