Foldede DNA-skabeloner giver forskere mulighed for præcist at skære grafenformer ud, som kan bruges i elektroniske kredsløb

DNA's unikke struktur er ideel til at bære genetisk information, men videnskabsmænd har for nylig fundet måder at udnytte dette alsidige molekyle til andre formål:Ved at kontrollere DNA-sekvenser, de kan manipulere molekylet til at danne mange forskellige nanoskalaformer.

Kemiske og molekylære ingeniører ved MIT og Harvard University har nu udvidet denne tilgang ved at bruge foldet DNA til at kontrollere nanostrukturen af ​​uorganiske materialer. Efter at have bygget DNA-nanostrukturer af forskellige former, de brugte molekylerne som skabeloner til at skabe nanoskalamønstre på ark af grafen. Dette kunne være et vigtigt skridt mod storskalaproduktion af elektroniske chips lavet af grafen, et et-atom-tykt ark kulstof med unikke elektroniske egenskaber.

"Dette giver os et kemisk værktøj til at programmere former og mønstre på nanometerskalaen, dannelse af elektroniske kredsløb, for eksempel, " siger Michael Strano, en professor i kemiteknik ved MIT og en seniorforfatter til et papir, der beskriver teknikken i 9. april-udgaven af Naturkommunikation .

Peng Yin, en assisterende professor i systembiologi ved Harvard Medical School og medlem af Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, er også seniorforfatter af papiret, og MIT postdoc Zhong Jin er hovedforfatter. Andre forfattere er Harvard postdocs Wei Sun og Yonggang Ke, MIT kandidatstuderende Chih-Jen Shih og Geraldine Paulus, og MIT postdocs Qing Hua Wang og Bin Mu.

De fleste af disse DNA-nanostrukturer er lavet ved hjælp af en ny tilgang udviklet i Yins laboratorium. Komplekse DNA-nanostrukturer med præcist foreskrevne former er konstrueret ved hjælp af korte syntetiske DNA-strenge kaldet enkeltstrengede fliser. Hver af disse fliser fungerer som en sammenlåsende legetøjssten og binder sammen med fire udpegede naboer.

Ved at bruge disse enkeltstrengede fliser, Yins laboratorium har skabt mere end 100 forskellige former i nanoskala, inklusive det fulde alfabet af store engelske bogstaver og mange humørikoner. Disse strukturer er designet ved hjælp af computersoftware og kan samles i en simpel reaktion. Alternativt sådanne strukturer kan konstrueres ved hjælp af en fremgangsmåde kaldet DNA origami, hvor mange korte DNA-strenge folder en lang streng til en ønsket form.

Imidlertid, DNA har en tendens til at nedbrydes, når det udsættes for sollys eller ilt, og kan reagere med andre molekyler, så det er ikke ideelt som langtidsbyggemateriale. "Vi vil gerne udnytte egenskaberne ved mere stabile nanomaterialer til strukturelle applikationer eller elektronik, " siger Strano.

I stedet, han og hans kolleger overførte den præcise strukturelle information kodet i DNA til mere robust grafen. Den involverede kemiske proces er ret ligetil, Strano siger:Først DNA'et er forankret på en grafenoverflade ved hjælp af et molekyle kaldet aminopyrin, som i struktur ligner grafen. DNA'et er derefter belagt med små klynger af sølv langs overfladen, som gør det muligt at aflejre et efterfølgende lag guld oven på sølvet.

Når molekylet er belagt med guld, det stabile metalliserede DNA kan bruges som en maske til en proces kaldet plasmalitografi. Oxygen plasma, en meget reaktiv "gasstrøm" af ioniserede molekyler, bruges til at slide ubeskyttet grafen væk, efterlader en grafenstruktur identisk med den oprindelige DNA-form. Det metalliserede DNA vaskes derefter væk med natriumcyanid.

Udformning af grafenkredsløb

Forskerholdet brugte denne teknik til at skabe flere typer former, inklusive X- og Y-kryds, samt ringe og bånd. De fandt ud af, at selvom det meste af den strukturelle information er bevaret, noget information går tabt, når DNA'et er belagt med metal, så teknikken er endnu ikke så præcis som en anden teknik kaldet e-beam litografi.

Imidlertid, e-beam litografi, som bruger elektronstråler til at skære former ind i grafen, er dyrt og tager lang tid, så det ville være meget svært at skalere det op til at masseproducere elektriske eller andre komponenter lavet af grafen.

En form af særlig interesse for videnskabsmænd er et grafenbånd, som er en meget smal stribe grafen, der begrænser materialets elektroner, giver den nye egenskaber. Grafen har normalt ikke et båndgab - en egenskab, der er nødvendig for, at ethvert materiale kan fungere som en typisk transistor. Imidlertid, grafenbånd har et båndgab, så de kunne bruges som komponenter i elektroniske kredsløb.

"Der er stadig interesse for at bruge grafen til digital elektronik. Grafen i sig selv er ikke ideel til dette, men hvis du mønstrer det i bånd, det kan være muligt, " siger Strano.

Forskere er også interesserede i grafenringe, fordi de kan bruges som kvanteinterferenstransistorer, en ny type transistor skabt, når elektroner flyder rundt i en cirkel. Denne type adfærd er først for nylig blevet observeret, og denne fremstillingsteknik kunne give videnskabsmænd mulighed for at skabe mange ringe, så de kan studere dette fænomen mere grundigt.

På længere sigt, strategien for fremstilling af DNA-nanostruktur kan hjælpe forskere med at designe og bygge elektroniske kredsløb lavet af grafen. Dette har været svært indtil videre, fordi det er udfordrende at placere små kulstofstrukturer, såsom nanorør og nanotråde, på et grafenark. Imidlertid, at bruge de metalliserede DNA-masker til at arrangere strukturer på et ark grafen kunne gøre processen meget lettere.

Den nye tilgang er "konceptuelt ny, " siger Robert Haddon, en professor i kemi- og miljøteknik ved University of California i Riverside, som ikke var en del af forskerholdet. "Værket viser potentialet i selvsamlede metalliserede DNA-nanoarkitekturer som litografiske masker til wafer-skala-mønstre af grafenbaserede elektroniske kredsløbselementer. Jeg tror på, at denne tilgang vil stimulere yderligere forskning i anvendelsen af ​​nanomønsterteknikker i grafenbaseret nanoelektronik. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.