Fremstilling af 3-D nanosuperledere med DNA

Tredimensionelle (3-D) nanostrukturerede materialer - dem med komplekse former i en størrelsesskala på milliardtedele af en meter - der kan lede elektricitet uden modstand, kunne bruges i en række kvanteenheder. For eksempel, sådanne 3-D superledende nanostrukturer kunne finde anvendelse i signalforstærkere til at forbedre hastigheden og nøjagtigheden af ​​kvantecomputere og ultrafølsomme magnetfeltsensorer til medicinsk billeddannelse og kortlægning af geologisk undergrund. Imidlertid, traditionelle fremstillingsværktøjer såsom litografi er blevet begrænset til 1-D og 2-D nanostrukturer som superledende ledninger og tynde film.

Nu, forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, Columbia University, og Bar-Ilan University i Israel har udviklet en platform til at lave 3-D superledende nano-arkitekturer med en foreskrevet organisation. Som rapporteret i 10. november-udgaven af Naturkommunikation, denne platform er baseret på selvsamling af DNA til ønskede 3D-former på nanoskala. I DNA-selvsamling, en enkelt lang DNA-streng er foldet af kortere komplementære "hæfte"-strenge på specifikke steder - svarende til origami, den japanske kunst at folde papir.

"På grund af dens strukturelle programmerbarhed, DNA kan levere en montageplatform til at bygge designede nanostrukturer, " sagde medkorresponderende forfatter Oleg Gang, leder af Soft and Bio Nanomaterials Group ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) og professor i kemiteknik og anvendt fysik og materialevidenskab ved Columbia Engineering. "Imidlertid, DNA's skrøbelighed får det til at virke uegnet til funktionel enhedsfremstilling og nanofremstilling, der kræver uorganiske materialer. I dette studie, vi viste, hvordan DNA kan tjene som et stillads til at bygge 3-D nanoskalaarkitekturer, der fuldt ud kan "konverteres" til uorganiske materialer som superledere."

For at lave stilladset, Brookhaven og Columbia Engineering-videnskabsmændene designede først oktaedrisk-formede DNA-origami-"rammer". Aaron Michelson, Gangs kandidatstuderende, anvendte en DNA-programmerbar strategi, så disse rammer ville samles i ønskede gitter. Derefter, han brugte en kemiteknik til at belægge DNA-gitrene med siliciumdioxid (silica), størkner de oprindeligt bløde konstruktioner, hvilket krævede et flydende miljø for at bevare deres struktur. Teamet skræddersyede fabrikationsprocessen, så strukturerne var tro mod deres design, som bekræftet ved billeddannelse ved CFN-elektronmikroskopifaciliteten og småvinklet røntgenspredning ved Complex Materials Scattering-strålelinjen af ​​Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Disse eksperimenter viste, at den strukturelle integritet blev bevaret, efter at de havde coatet DNA-gitrene.

"I sin oprindelige form, DNA er fuldstændig ubrugeligt til behandling med konventionelle nanoteknologiske metoder, " sagde Gang. "Men når vi først har belagt DNA'et med silica, vi har en mekanisk robust 3D-arkitektur, som vi kan afsætte uorganiske materialer på ved hjælp af disse metoder. Dette er analogt med traditionel nanofremstilling, hvor værdifulde materialer afsættes på flade underlag, typisk silicium, for at tilføje funktionalitet."

Holdet sendte de silica-coatede DNA-gitre fra CFN til Bar-Ilan's Institute of Superconductivity, som ledes af Yosi Yeshurun. Gang og Yeshurun ​​stiftede bekendtskab for et par år siden, da Gang holdt et seminar om hans DNA-samlingsforskning. Yeshurun ​​– som i løbet af det sidste årti har studeret egenskaberne ved superledning på nanoskala – troede, at Gangs DNA-baserede tilgang kunne give en løsning på et problem, han forsøgte at løse:Hvordan kan vi fremstille superledende nanoskalastrukturer i tre dimensioner?

"Tidligere fremstilling af 3-D nanosuperledere involverede en meget kompliceret og vanskelig proces ved brug af konventionelle fremstillingsteknikker, " sagde Yeshurun, medkorresponderende forfatter. "Her, vi fandt en forholdsvis enkel måde ved at bruge Olegs DNA-strukturer."

På Institut for Superledning, Yeshuruns kandidatstuderende Lior Shani fordampede en lavtemperatur-superleder (niobium) på en siliciumchip, der indeholdt en lille prøve af gitterne. Fordampningshastigheden og siliciumsubstrattemperaturen skulle kontrolleres omhyggeligt, så niobium belagt prøven, men ikke trængte hele vejen igennem. Hvis det skete, der kan opstå kortslutning mellem elektroderne, der bruges til de elektroniske transportmålinger.

"Vi skærer en speciel kanal i substratet for at sikre, at strømmen kun vil gå gennem selve prøven, " forklarede Yeshurun.

Målingerne afslørede et 3-D-array af Josephson-kryds, eller tynde ikke-superledende barrierer, gennem hvilke superledende strømtunneler går. Arrays af Josephson-kryds er nøglen til at udnytte kvantefænomener i praktiske teknologier, såsom superledende kvanteinterferensanordninger til magnetfeltføling. I 3D, flere kryds kan pakkes i et lille volumen, øge enhedens effekt.

"DNA origami har produceret smukke og udsmykkede 3-D nanoskala strukturer i næsten 15 år, men DNA i sig selv er ikke nødvendigvis et nyttigt funktionelt materiale, " sagde Evan Runnerstrøm, programleder for materialedesign ved U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory ved U.S. Army Research Office, som delvist finansierede arbejdet. "Hvad Prof. Gang har vist her er, at du kan udnytte DNA-origami som skabelon til at skabe nyttige 3-D nanostrukturer af funktionelle materialer, som superledende niobium. Denne evne til vilkårligt at designe og fremstille komplekse 3D-strukturerede funktionelle materialer nedefra og op vil accelerere hærens moderniseringsbestræbelser på områder som sansning, optik, og kvanteberegning."

"Vi demonstrerede en vej for, hvordan komplekse DNA-organisationer kan bruges til at skabe meget nanostrukturerede 3-D superledende materialer, " sagde Gang. "Denne materialekonverteringsvej giver os en evne til at lave en række systemer med interessante egenskaber - ikke kun superledning, men også andre elektroniske, mekanisk, optisk, og katalytiske egenskaber. Vi kan forestille os det som en "molekylær litografi, "hvor kraften i DNA-programmerbarheden overføres til 3-D uorganisk nanofabrikation."