DNA hacken om halfgeleidermaterialen van de volgende generatie te maken

Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Columbia University en Stony Brook University hebben een universele methode ontwikkeld voor het produceren van een grote verscheidenheid aan ontworpen metalen en halfgeleider 3D-nanostructuren – de potentiële basismaterialen voor halfgeleiderapparaten van de volgende generatie. neuromorfisch computergebruik en geavanceerde energietoepassingen.

De nieuwe methode, die gebruik maakt van a “gehackt” vorm van DNA die moleculen instrueert zichzelf te organiseren in gerichte 3D-patronen, is de eerste in zijn soort die robuuste nanostructuren produceert uit meerdere materiaalklassen. De studie was gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.

“We gebruiken DNA al meer dan tien jaar om materialen op nanoschaal te programmeren.” zei corresponderende auteur Oleg Gang, hoogleraar chemische technologie en toegepaste natuurkunde en materiaalkunde bij Columbia Engineering en leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij het Center for Functional Nanomaterials (CFN). CFN is een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Brookhaven Lab.

“Door voort te bouwen op eerdere prestaties hebben we nu een methode ontwikkeld om deze op DNA gebaseerde structuren om te zetten in vele soorten functionele anorganische 3D-nano-architecturen, en dit opent enorme mogelijkheden voor productie op 3D-nanoschaal.”

Zelfassemblage zit in het DNA van dit team

CFN is toonaangevend in het onderzoek naar zelfassemblage, het proces waarbij moleculen zichzelf spontaan organiseren. In het bijzonder zijn wetenschappers bij CFN experts op het gebied van DNA-gerichte assemblage.

Onderzoekers programmeren DNA-strengen om “direct” het zelfassemblageproces naar moleculaire arrangementen die aanleiding geven tot gunstige eigenschappen, zoals elektrische geleidbaarheid, lichtgevoeligheid en magnetisme. Vervolgens kunnen deze structuren worden opgeschaald naar functionele materialen. Tot nu toe heeft CFN DNA-gerichte assemblage gebruikt om schakelbare dunne films, 3D-nanosupergeleiders en meer te produceren.

“We hebben verschillende soorten structuren gedemonstreerd die we kunnen organiseren met behulp van DNA-gerichte assemblage. Maar om dit onderzoek naar een hoger niveau te tillen, kunnen we niet alleen vertrouwen op DNA,” zei Bende. “We moesten onze methode uitbreiden om robuustere structuren te maken met meer specifieke functionaliteit voor geavanceerde technologieën zoals micro-elektronica en halfgeleiderapparaten.”

Onlangs zijn Gang en collega’s, waaronder verschillende studenten, erin geslaagd silica, een geoxideerde vorm van silicium, op een DNA-rooster te laten groeien. Door de toevoeging van silica ontstond een veel robuustere structuur, maar de procedure was niet breed toepasbaar op verschillende materialen. Het team had nog verder onderzoek nodig om een ​​methode te ontwikkelen die op een efficiënte manier metallische en halfgeleidermaterialen kon produceren.

Stapeltechnieken (en expertise)

Om een ​​meer universele methode uit te bouwen voor het produceren van 3D-nanostructuren, werkten onderzoekers van CFN’s Soft and Bio Nanomaterials Group samen met de Electronic Nanomaterials Group van het Centrum.

“De relatie tussen verschillende onderzoeksgroepen bij CFN is voor iedereen zeer vruchtbaar,” zei hoofdauteur Aaron Michelson, een postdoctoraal onderzoeker bij CFN die dit onderzoek begon als afgestudeerde student aan Columbia.

“Onze bio- en zachte materie-laboratoria liggen naast de materiaalsynthese-laboratoria, die naast de elektronenmicroscopie-laboratoria liggen, dus het is een zeer synergetische relatie. De cultuur van CFN maakt het gemakkelijker om onderzoek te herhalen, en bovendien zijn we omringd door alle toonaangevende apparatuur die we nodig hebben.”

Wetenschappers van de Electronic Nanomaterials Group waren een pionier op het gebied van een nieuwe materiaalsynthesetechniek, genaamd dampfase-infiltratie. Deze techniek verbindt een precursor-chemische stof, in dampvorm, met een rooster op nanoschaal, dat voorbij het oppervlak en diep in de structuur van het materiaal doordringt.

Door deze techniek uit te voeren op de silicastructuren die het team van Gang eerder had gebouwd, met behulp van voorlopers met metalen elementen, konden de onderzoekers 3D-metalen structuren produceren.

“We gebruikten deze techniek al voor andere toepassingen, zoals het verbeteren van micro-elektronische materialen of gasscheidingsmembranen voor waterstof, toen we beseften dat deze kon worden toegepast op DNA-gerichte assemblage.” zei co-corresponderende auteur Chang-Yong Nam, een wetenschapper bij de Electronic Nanomaterials Group bij CFN.