Stoere 3D-nanomaterialen bouwen met DNA

Columbia Engineering-onderzoekers, die samenwerken met Brookhaven National Laboratory, melden vandaag dat ze ontworpen 3D-materialen op basis van nanodeeltjes hebben gebouwd die bestand zijn tegen vacuüm, hoge temperaturen, hoge druk en hoge straling. Dit nieuwe fabricageproces resulteert in robuuste en volledig ontworpen raamwerken op nanoschaal die niet alleen geschikt zijn voor een verscheidenheid aan functionele typen nanodeeltjes, maar ook snel kunnen worden verwerkt met conventionele nanofabricagemethoden.

“Deze zelf-geassembleerde materialen op basis van nanodeeltjes zijn zo veerkrachtig dat ze in de ruimte kunnen vliegen”, zegt Oleg Gang, hoogleraar chemische technologie en toegepaste fysica en materiaalkunde, die de studie leidde die vandaag is gepubliceerd door Science Advances​ “We waren in staat om 3D DNA-nanodeeltjesarchitecturen over te zetten van vloeibare toestand – en van een buigzaam materiaal – naar vaste toestand, waar silica de DNA-stutten versterkt. Dit nieuwe materiaal behoudt volledig zijn oorspronkelijke raamwerkarchitectuur van DNA-nanodeeltjesrooster, in wezen het creëren van een 3D anorganische replica. Hierdoor konden we – voor het eerst – onderzoeken hoe deze nanomaterialen zware omstandigheden kunnen bestrijden, hoe ze worden gevormd en wat hun eigenschappen zijn. “

Materiaaleigenschappen zijn verschillend op nanoschaal en onderzoekers hebben lang onderzocht hoe deze kleine materialen – 1.000 tot 10.000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar – in allerlei toepassingen kunnen worden gebruikt, van het maken van sensoren voor telefoons tot het bouwen van snellere chips voor laptops . Fabricagetechnieken waren echter een uitdaging bij het realiseren van 3D-nano-architecturen. DNA-nanotechnologie maakt de creatie mogelijk van complex georganiseerde materialen uit nanodeeltjes door zelfassemblage, maar gezien de zachte en omgevingsafhankelijke aard van DNA, kunnen dergelijke materialen stabiel zijn onder een beperkt aantal omstandigheden. Daarentegen kunnen de nieuw gevormde materialen nu worden gebruikt in een breed scala van toepassingen waar deze geconstrueerde structuren vereist zijn. Terwijl conventionele nanofabricage uitblinkt in het creëren van vlakke structuren, maakt de nieuwe methode van Gang de fabricage mogelijk van 3D-nanomaterialen die essentieel worden voor zoveel elektronische, optische en energietoepassingen.

Gang, die een gezamenlijke aanstelling heeft als groepsleider van de Soft and Bio Nanomaterials Group in het Brookhaven Lab’s Center for Functional Nanomaterials, loopt voorop in de DNA-nanotechnologie, die afhankelijk is van het vouwen van de DNA-ketting in gewenste twee- en driedimensionale nanostructuren. Deze nanostructuren worden bouwstenen die via Watson-Crick-interacties kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te assembleren tot 3D-architecturen. Zijn groep ontwerpt en vormt deze DNA-nanostructuren, integreert ze met nanodeeltjes en leidt de assemblage van gerichte materialen op basis van nanodeeltjes. En nu, met deze nieuwe techniek, kan het team deze materialen omzetten van zacht en kwetsbaar naar solide en robuust.

Deze nieuwe studie demonstreert een efficiënte methode voor het omzetten van 3D DNA-nanodeeltjesroosters in silica-replica’s, met behoud van de topologie van de verbindingen tussen de deeltjes door DNA-stutten en de integriteit van de nanodeeltjesorganisatie. Silica werkt goed omdat het helpt de nanostructuur van het ouder-DNA-rooster te behouden, een robuuste cast vormt van het onderliggende DNA en geen invloed heeft op de rangschikking van nanodeeltjes.

“Het DNA in dergelijke roosters krijgt de eigenschappen van silica”, zegt Aaron Michelson, een Ph.D. student uit de groep van Gang. “Het wordt stabiel in de lucht en kan worden gedroogd en maakt 3D-analyse op nanoschaal van het materiaal voor het eerst in de echte ruimte mogelijk. Bovendien biedt silica sterkte en chemische stabiliteit, is het goedkoop en kan het naar behoefte worden aangepast. handig materiaal. “

Om meer te weten te komen over de eigenschappen van hun nanostructuren, stelde het team de omgezette DNA-nanodeeltjesroosters van siliciumdioxide bloot aan extreme omstandigheden: hoge temperaturen boven 10000 ° C en hoge mechanische spanningen boven 8 GPa (ongeveer 80.000 keer meer dan de atmosferische druk, of 80 keer meer dan op de diepste oceaanplaats, de Mariana-geul), en bestudeerde deze processen in situ. Om de levensvatbaarheid van de structuren voor toepassingen en verdere verwerkingsstappen te meten, stelden de onderzoekers ze ook bloot aan hoge doses straling en gefocusseerde ionenbundels.

“Onze analyse van de toepasbaarheid van deze structuren om te combineren met traditionele nanofabricagetechnieken, toont een echt robuust platform aan voor het genereren van veerkrachtige nanomaterialen via op DNA gebaseerde benaderingen om hun nieuwe eigenschappen te ontdekken”, merkt Gang op. “Dit is een grote stap voorwaarts, aangezien deze specifieke eigenschappen betekenen dat we onze 3D-nanomateriaalassemblage kunnen gebruiken en toch toegang hebben tot het volledige scala aan conventionele materiaalverwerkingsstappen. Deze integratie van nieuwe en conventionele nanofabricagemethoden is nodig om vooruitgang te boeken in mechanica, elektronica. , plasmonics, fotonica, supergeleiding en energiematerialen. “

Samenwerkingen op basis van Gang’s werk hebben al geleid tot nieuwe supergeleiding en omzetting van de silica in geleidende en halfgeleidende media voor verdere verwerking. Deze omvatten een eerdere studie gepubliceerd door Nature Communications en een recent gepubliceerd door Nano Letters​ De onderzoekers zijn ook van plan de structuur aan te passen om een ​​breed scala aan materialen te maken met zeer wenselijke mechanische en optische eigenschappen.

“Computers worden al meer dan 40 jaar gemaakt met silicium”, voegt Gang toe. “Het duurde vier decennia om de fabricage terug te brengen tot ongeveer 10 nm voor vlakke structuren en apparaten. Nu kunnen we in een paar uur tijd nano-objecten in een reageerbuis maken en monteren zonder dure gereedschappen. Acht miljard verbindingen op een enkel rooster kunnen nu georkestreerd om zichzelf te assembleren via processen op nanoschaal die we kunnen engineeren. Elke verbinding kan een transistor, een sensor of een optische emitter zijn – elk kan een stukje opgeslagen gegevens zijn. Hoewel de wet van Moore langzamer gaat, is de programmeerbaarheid van DNA-assemblagebenaderingen daar om ons vooruit te helpen bij het oplossen van problemen in nieuwe materialen en nanofabricage. Hoewel dit een enorme uitdaging was voor de huidige methoden, is het enorm belangrijk voor opkomende technologieën. ”