De unieke structuur van DNA is ideaal voor het dragen van genetische informatie, maar wetenschappers hebben onlangs manieren gevonden om dit veelzijdige molecuul voor andere doeleinden te gebruiken:door DNA-sequenties te controleren, ze kunnen het molecuul manipuleren om veel verschillende vormen op nanoschaal te vormen.

Chemische en moleculaire ingenieurs van MIT en Harvard University hebben deze benadering nu uitgebreid door gevouwen DNA te gebruiken om de nanostructuur van anorganische materialen te controleren. Na het bouwen van DNA-nanostructuren van verschillende vormen, ze gebruikten de moleculen als sjablonen om patronen op nanoschaal te creëren op vellen grafeen. Dit zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van grootschalige productie van elektronische chips gemaakt van grafeen, een één atoom dik vel koolstof met unieke elektronische eigenschappen.

"Dit geeft ons een chemisch hulpmiddel om vormen en patronen op nanometerschaal te programmeren, elektronische schakelingen vormen, bijvoorbeeld, " zegt Michael Strano, een professor in chemische technologie aan het MIT en een senior auteur van een paper waarin de techniek wordt beschreven in het nummer van 9 april van: Natuurcommunicatie .

Peng-yin, een assistent-professor systeembiologie aan de Harvard Medical School en een lid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, is ook een senior auteur van het papier, en MIT-postdoc Zhong Jin is de hoofdauteur. Andere auteurs zijn Harvard-postdocs Wei Sun en Yonggang Ke, MIT-afgestudeerde studenten Chih-Jen Shih en Geraldine Paulus, en MIT-postdocs Qing Hua Wang en Bin Mu.

De meeste van deze DNA-nanostructuren zijn gemaakt met behulp van een nieuwe benadering die is ontwikkeld in het laboratorium van Yin. Complexe DNA-nanostructuren met nauwkeurig voorgeschreven vormen worden geconstrueerd met behulp van korte synthetische DNA-strengen die enkelstrengs tegels worden genoemd. Elk van deze tegels werkt als een in elkaar grijpende speelgoedsteen en verbindt zich met vier aangewezen buren.

Met behulp van deze enkelstrengs tegels, Yin's lab heeft meer dan 100 verschillende vormen op nanoschaal gecreëerd, inclusief het volledige alfabet van Engelse hoofdletters en veel emoticons. Deze structuren zijn ontworpen met behulp van computersoftware en kunnen in een eenvoudige reactie worden geassembleerd. Alternatief, dergelijke structuren kunnen worden geconstrueerd met behulp van een benadering die DNA-origami wordt genoemd, waarin veel korte DNA-strengen een lange streng in een gewenste vorm vouwen.

Echter, DNA heeft de neiging af te breken bij blootstelling aan zonlicht of zuurstof, en kan reageren met andere moleculen, dus het is niet ideaal als bouwmateriaal voor de lange termijn. "We willen de eigenschappen van stabielere nanomaterialen benutten voor structurele toepassingen of elektronica, ' zegt Strano.

In plaats daarvan, hij en zijn collega's hebben de precieze structurele informatie die in het DNA is gecodeerd, overgebracht naar steviger grafeen. Het betrokken chemische proces is vrij eenvoudig, Strano zegt:Ten eerste, het DNA is verankerd op een grafeenoppervlak met behulp van een molecuul genaamd aminopyrine, die qua structuur vergelijkbaar is met grafeen. Het DNA wordt dan bedekt met kleine clusters van zilver langs het oppervlak, waardoor een volgende laag goud op het zilver kan worden afgezet.

Zodra het molecuul is bedekt met goud, het stabiele gemetalliseerde DNA kan worden gebruikt als een masker voor een proces dat plasmalithografie wordt genoemd. Zuurstofplasma, een zeer reactieve "gasstroom" van geïoniseerde moleculen, wordt gebruikt om onbeschermd grafeen weg te slijten, waardoor een grafeenstructuur achterblijft die identiek is aan de oorspronkelijke DNA-vorm. Het gemetalliseerde DNA wordt vervolgens weggewassen met natriumcyanide.

Grafeencircuits vormgeven

Het onderzoeksteam gebruikte deze techniek om verschillende soorten vormen te creëren, inclusief X- en Y-knooppunten, evenals ringen en linten. Ze ontdekten dat hoewel de meeste structurele informatie bewaard blijft, er gaat wat informatie verloren wanneer het DNA is bedekt met metaal, dus de techniek is nog niet zo nauwkeurig als een andere techniek genaamd e-beam lithografie.

Echter, e-beam lithografie, die elektronenbundels gebruikt om vormen in grafeen te snijden, is duur en duurt lang, dus het zou heel moeilijk zijn om het op te schalen naar massaproductie van elektrische of andere componenten gemaakt van grafeen.

Een vorm die van bijzonder belang is voor wetenschappers is een grafeenlint, dat is een zeer smalle strook grafeen die de elektronen van het materiaal opsluit, het nieuwe eigenschappen geven. Grafeen heeft normaal gesproken geen bandgap - een eigenschap die nodig is voor elk materiaal om als een typische transistor te werken. Echter, grafeenlinten hebben wel een bandgap, zodat ze kunnen worden gebruikt als componenten van elektronische schakelingen.

"Er is nog steeds interesse om grafeen te gebruiken voor digitale elektronica. Grafeen zelf is hier niet ideaal voor, maar als je er linten van maakt, het is misschien mogelijk, ' zegt Strano.

Wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in grafeenringen omdat ze kunnen worden gebruikt als kwantuminterferentietransistors, een nieuw type transistor dat ontstaat wanneer elektronen rond een cirkel stromen. Dit soort gedrag is pas recentelijk waargenomen, en deze fabricagetechniek zou wetenschappers in staat kunnen stellen veel ringen te maken, zodat ze dit fenomeen grondiger kunnen bestuderen.

Op langere termijn, de fabricagestrategie van DNA-nanostructuren zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen en bouwen van elektronische circuits gemaakt van grafeen. Dit was tot nu toe moeilijk omdat het een uitdaging is om kleine koolstofstructuren te plaatsen, zoals nanobuisjes en nanodraden, op een grafeenvel. Echter, het gebruik van de gemetalliseerde DNA-maskers om structuren op een vel grafeen te rangschikken, zou het proces veel gemakkelijker kunnen maken.

De nieuwe benadering is "conceptueel nieuw, " zegt Robert Haddon, een professor in chemische en milieutechniek aan de Universiteit van Californië in Riverside, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam. "Het werk toont het potentieel aan van zelf-geassembleerde gemetalliseerde DNA-nanoarchitecturen als lithografische maskers voor wafer-schaalpatronen van op grafeen gebaseerde elektronische circuitelementen. Ik geloof dat deze benadering verder onderzoek naar de toepassing van nanopatroontechnieken in op grafeen gebaseerde nano-elektronica zal stimuleren. "

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.