3D-nanosupergeleiders maken met DNA

Driedimensionale (3-D) nanogestructureerde materialen – die met complexe vormen op een schaal van miljardsten van een meter – die elektriciteit zonder weerstand kunnen geleiden, zouden in een reeks kwantumapparaten kunnen worden gebruikt. Dergelijke 3D-supergeleidende nanostructuren zouden bijvoorbeeld toepassing kunnen vinden in signaalversterkers om de snelheid en nauwkeurigheid van kwantumcomputers en ultragevoelige magnetische veldsensoren voor medische beeldvorming en ondergrondse geologische mapping te verbeteren. Traditionele fabricagetools zoals lithografie zijn echter beperkt tot 1-D en 2-D nanostructuren zoals supergeleidende draden en dunne films.

Nu hebben wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Columbia University en Bar-Ilan University in Israël een platform ontwikkeld voor het maken van 3D-supergeleidende nano-architecturen met een voorgeschreven organisatie. Zoals gerapporteerd in het nummer van 10 november Natuurcommunicatie, dit platform is gebaseerd op de zelfassemblage van DNA tot gewenste 3D-vormen op nanoschaal. Bij zelfassemblage van DNA wordt een enkele lange DNA-streng gevouwen door kortere complementaire “stapel” -strengen op specifieke locaties – vergelijkbaar met origami, de Japanse kunst van het vouwen van papier.

“Vanwege zijn structurele programmeerbaarheid kan DNA een assemblageplatform bieden voor het bouwen van ontworpen nanostructuren”, zegt co-corresponderende auteur Oleg Gang, leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij Brookhaven Lab’s Center for Functional Nanomaterials (CFN) en een professor in chemische stoffen. engineering en van toegepaste natuurkunde en materiaalkunde aan Columbia Engineering. “De kwetsbaarheid van DNA maakt het echter ongeschikt voor functionele apparaatfabricage en nanofabricage waarvoor anorganische materialen nodig zijn. In deze studie hebben we laten zien hoe DNA kan dienen als een steiger voor het bouwen van 3D-architecturen op nanoschaal die volledig kunnen worden” omgezet “in anorganische materialen zoals supergeleiders. “

Om de steiger te maken, ontwierpen de wetenschappers van Brookhaven en Columbia Engineering eerst octaëdrische vormige DNA-origami “frames”. Aaron Michelson, de afgestudeerde student van Gang, paste een DNA-programmeerbare strategie toe, zodat deze frames zouden worden samengevoegd tot gewenste roosters. Vervolgens gebruikte hij een scheikundige techniek om de DNA-roosters te bedekken met siliciumdioxide (silica), waardoor de oorspronkelijk zachte constructies stollen, die een vloeibare omgeving nodig hadden om hun structuur te behouden. Het team paste het fabricageproces aan zodat de structuren trouw waren aan hun ontwerp, zoals bevestigd door beeldvorming bij de CFN Electron Microscopy Facility en kleine hoek röntgenverstrooiing bij de Complex Materials Scattering beamline van Brookhaven’s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II ). Deze experimenten toonden aan dat de structurele integriteit behouden bleef nadat ze de DNA-roosters hadden bekleed.

“In zijn oorspronkelijke vorm is DNA volledig onbruikbaar voor verwerking met conventionele nanotechnologische methoden”, aldus Gang. “Maar zodra we het DNA met silica bekleden, hebben we een mechanisch robuuste 3D-architectuur waarop we anorganische materialen kunnen deponeren met behulp van deze methoden. Dit is analoog aan traditionele nanofabricage, waarbij waardevolle materialen worden afgezet op vlakke substraten, meestal silicium, om functionaliteit toe te voegen. “

Het team heeft de met silica gecoate DNA-roosters van de CFN naar het Bar-Ilan’s Institute of Superconductivity gestuurd, dat wordt geleid door Yosi Yeshurun. Gang en Yeshurun ​​leerden elkaar een paar jaar geleden kennen, toen Gang een seminar hield over zijn onderzoek naar DNA-assemblage. Yeshurun ​​- die de afgelopen tien jaar de eigenschappen van supergeleiding op nanoschaal heeft bestudeerd – dacht dat Gang’s op DNA gebaseerde benadering een oplossing zou kunnen bieden voor een probleem dat hij probeerde op te lossen: hoe kunnen we supergeleidende structuren op nanoschaal in drie dimensies fabriceren?

“Voorheen was het maken van 3D-nanosupergeleiders een zeer ingewikkeld en moeilijk proces met conventionele fabricagetechnieken”, zegt Yeshurun, co-corresponderende auteur. “Hier hebben we een relatief eenvoudige manier gevonden om de DNA-structuren van Oleg te gebruiken.”

Bij het Institute of Superconductivity verdampte Yeshurun’s afgestudeerde student Lior Shani een lage temperatuur supergeleider (niobium) op een siliciumchip die een klein stukje van de roosters bevatte. De verdampingssnelheid en de temperatuur van het siliciumsubstraat moesten zorgvuldig worden gecontroleerd, zodat niobium het monster bekleedde maar niet helemaal doordrong. Als dat gebeurt, kan er kortsluiting ontstaan ​​tussen de elektroden die worden gebruikt voor de elektronische transportmetingen.

“We hebben een speciaal kanaal in het substraat gesneden om ervoor te zorgen dat de stroom alleen door het monster zelf gaat”, legt Yeshurun ​​uit.

De metingen onthulden een 3D-array van Josephson-knooppunten, of dunne niet-supergeleidende barrières waardoor supergeleidende stroomtunnels. Arrays van Josephson-juncties zijn de sleutel tot het benutten van kwantumverschijnselen in praktische technologieën, zoals supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten voor het detecteren van magnetische velden. In 3D kunnen meer knooppunten in een klein volume worden verpakt, waardoor het apparaatvermogen toeneemt.

“DNA-origami produceert al bijna 15 jaar prachtige en sierlijke 3D-structuren op nanoschaal, maar DNA zelf is niet per se een nuttig functioneel materiaal”, zegt Evan Runnerstrom, programmamanager voor materiaalontwerp bij het US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratorium van het US Army Research Office, dat het werk gedeeltelijk financierde. “Wat Prof. Gang hier heeft laten zien, is dat je DNA-origami als sjabloon kunt gebruiken om bruikbare 3D-nanostructuren van functionele materialen te maken, zoals supergeleidend niobium. Dit vermogen om willekeurig complexe 3D-gestructureerde functionele materialen te ontwerpen en te fabriceren van de bottom-up zal de moderniseringsinspanningen van het leger op gebieden als detectie, optica en kwantumcomputers versnellen. “

“We hebben aangetoond hoe complexe DNA-organisaties kunnen worden gebruikt om 3D-supergeleidende materialen met hoge nanostructuur te maken”, aldus Gang. “Dit materiaalconversietraject geeft ons de mogelijkheid om een ​​verscheidenheid aan systemen te maken met interessante eigenschappen – niet alleen supergeleiding maar ook andere elektronische, mechanische, optische en katalytische eigenschappen. We kunnen het ons voorstellen als een ‘moleculaire lithografie’, waar de kracht van DNA-programmeerbaarheid wordt overgebracht naar 3D-anorganische nanofabricage. ”