Nanowetenschap heeft het potentieel om een ​​enorme rol te spelen bij het verbeteren van een reeks producten, inclusief sensoren, fotovoltaïsche en consumentenelektronica. Wetenschappers op dit gebied hebben een groot aantal materialen op nanoschaal gemaakt, zoals metalen nanokristallen, koolstof nanobuisjes en halfgeleidende nanodraden. Echter, ondanks hun beroep, het is tot nu toe een verbazingwekkende uitdaging gebleven om de oriëntatie en plaatsing van deze materialen in de gewenste apparaatarchitecturen te ontwerpen die reproduceerbaar zijn met hoge opbrengsten en tegen lage kosten.

Jen Cha, een UC San Diego nano-engineering professor, en haar team van onderzoekers, hebben ontdekt dat een manier om deze kloof te overbruggen het gebruik van biomoleculen is, zoals DNA en eiwitten. Details van deze ontdekking zijn onlangs gepubliceerd in een paper met de titel "Large Area Spatally Ordered Arrays of Gold Nanoparticles Directed by Lithographically Confined DNA Origami, " in Natuur Nanotechnologie .

"Zelf-geassembleerde structuren zijn vaak te klein en betaalbare lithografische patronen zijn te groot, " zei Albert Hung, hoofdauteur van het Nature Nanotechnology-paper en een postdoc die in Cha's lab werkt. "Maar rationeel ontworpen synthetische DNA-nanostructuren stellen ons in staat om toegang te krijgen tot lengteschalen tussen 5 en 100 nanometer en de twee systemen te overbruggen.

"Mensen hebben een enorme verscheidenheid aan unieke en functionele nanostructuren gecreëerd, maar voor sommige beoogde toepassingen zijn ze waardeloos tenzij je individuele structuren kunt plaatsen, miljarden of triljoenen tegelijk, op precieze locaties, " voegde Hung eraan toe. "We hopen dat ons onderzoek ons ​​een stap dichter bij het oplossen van dit zeer moeilijke probleem brengt."

Hung zei dat de recent ontdekte methode nuttig kan zijn voor het fabriceren van elektronische of optische circuits op nanoschaal en multiplexsensoren.

"Een aantal groepen hebben eerder aan delen van dit onderzoeksprobleem gewerkt, maar voor zover wij weten, we zijn de eersten die proberen zoveel delen samen als een geheel te behandelen, " hij zei.

Een van de belangrijkste toepassingen van dit onderzoek waarin Cha en haar groep geïnteresseerd zijn, is voor sensing. "Er is momenteel geen voorzienbare route om een ​​complexe reeks verschillende sensorelementen op nanoschaal te kunnen bouwen, " zei Cha, een voormalig IBM-onderzoeker die in 2008 toetrad tot de faculteit UCSD Jacobs School of Engineering. "Ons werk is een van de eerste duidelijke voorbeelden van hoe je top-down lithografie kunt samenvoegen met bottom-up zelfassemblage om zo'n array te bouwen. Dat betekent dat je een substraat hebben dat is gevormd door conventionele lithografie, en dan moet je dat patroon nemen en het samenvoegen met iets dat de assemblage van nog kleinere objecten kan sturen, zoals die met afmetingen tussen 2 en 20 nanometer. U heeft een tussensjabloon nodig, dat is de DNA-origami, die het vermogen heeft om zich te binden aan iets anders dat veel kleiner is en hun assemblage in de gewenste configuratie te leiden. Dit betekent dat we mogelijk transistors kunnen bouwen van koolstofnanobuisjes en mogelijk ook nanostructuren gebruiken om bepaalde eiwitten in oplossingen te detecteren. Wetenschappers hebben het gehad over het modelleren van verschillende sets eiwitten op een substraat en nu hebben we de mogelijkheid om dat te doen."

Cha zei dat de volgende stap zou zijn om daadwerkelijk een apparaat te ontwikkelen op basis van deze onderzoeksmethode.

"Ik ben erg geïnteresseerd in de toepassingen van dit onderzoek en we werken eraan om daar te komen, " ze zei.

Voor de laatste 6 jaar, Cha's onderzoek was gericht op het gebruik van biologie om de assemblage van materialen op nanoschaal voor toepassingen in de geneeskunde, elektronica en energie. Een van de beperkingen van nanowetenschap is dat het geen massaproductie van producten toestaat, maar Cha's werk is erop gericht om erachter te komen hoe dat te doen en het goedkoop te doen. Veel van haar recente werk was gericht op het gebruik van DNA om 2D-structuren te bouwen.

"Het gebruik van DNA om materialen te assembleren is een gebied waar veel mensen enthousiast over zijn, " zei Cha. "Je kunt DNA vouwen in alles wat je wilt - bijvoorbeeld, je kunt een grote steiger bouwen en daarbinnen zou je heel kleine objecten kunnen monteren, zoals nanodeeltjes, nanodraden of eiwitten.

"Ingenieurs moeten de fysieke krachten begrijpen die nodig zijn om functionele arrays te bouwen van functionele materialen, " voegde ze eraan toe. "Mijn taak als nano-ingenieur is om erachter te komen wat je moet doen om alle verschillende onderdelen samen te voegen, of het nu een voertuig voor het afleveren van medicijnen is, fotovoltaïsche toepassingen, sensoren of transistoren. We moeten nadenken over manieren om alle nanomaterialen te gebruiken en er iets van te maken dat mensen kunnen gebruiken en vasthouden."