De natuur heeft generaties mensen geïnspireerd, biedt een overvloed aan verschillende materialen voor innovaties. Eén zo'n materiaal is het molecuul van het erfgoed, of DNA, dankzij zijn unieke zelf-assemblerende eigenschappen. Onderzoekers van het Nanoscience Center (NSC) van de Universiteit van Jyväskylä en BioMediTech (BMT) van de Universiteit van Tampere hebben nu een methode gedemonstreerd om elektronische apparaten te fabriceren met behulp van DNA. Het DNA zelf heeft geen rol in de elektrische functie, maar fungeert als een steiger voor het vormen van een lineaire, parelketting-achtige nanostructuur bestaande uit drie gouden nanodeeltjes.

De aard van elektrische geleiding in materialen op nanoschaal kan enorm verschillen van gewone, metalen structuren op macroschaal, die talloze vrije elektronen hebben die de stroom vormen, waardoor elk effect van een enkel elektron verwaarloosbaar wordt. Echter, zelfs de toevoeging van een enkel elektron aan een stuk metaal op nanoschaal kan de energie ervan voldoende verhogen om geleiding te voorkomen. Dit soort toevoeging van elektronen gebeurt meestal via een kwantummechanisch effect dat tunneling wordt genoemd, waar elektronen door een energiebarrière tunnelen. In dit onderzoek, de elektronen getunneld van de elektrode verbonden met een spanningsbron, naar het eerste nanodeeltje en verder naar het volgende deeltje enzovoort, door de gaten ertussen.

"Dergelijke apparaten met één elektron zijn al meer dan twee decennia gefabriceerd op een schaal van tientallen nanometers met behulp van conventionele micro- en nanofabricagemethoden, ", zegt hoofddocent Jussi Toppari van het NSC. Toppari heeft deze structuren al bestudeerd in zijn promotiewerk.

"De zwakte van deze structuren zijn de cryogene temperaturen die nodig zijn om ze te laten werken. Meestal de bedrijfstemperatuur van deze apparaten wordt groter naarmate de componenten kleiner worden. Ons uiteindelijke doel is om de apparaten bij kamertemperatuur te laten werken, dat is nauwelijks mogelijk voor conventionele nanofabricagemethoden - dus er moeten nieuwe locaties worden gevonden."

Moderne nanotechnologie biedt hulpmiddelen om metalen nanodeeltjes te fabriceren met een grootte van slechts enkele nanometers. Een-elektron apparaten vervaardigd uit deze metalen nanodeeltjes zouden kunnen functioneren tot op kamertemperatuur. Het NSC heeft veel ervaring met het fabriceren van dergelijke nanodeeltjes.

"Na fabricage, de nanodeeltjes drijven in een waterige oplossing en moeten in de gewenste vorm worden georganiseerd en aangesloten op de hulpcircuits, ", legt onderzoeker Kosti Tapio uit. "Op DNA gebaseerde zelfassemblage, samen met het vermogen om te worden gekoppeld aan nanodeeltjes, bieden hiervoor een zeer geschikte toolkit."

Gouden nanodeeltjes worden direct in de waterige oplossing bevestigd op een DNA-structuur die is ontworpen en eerder is getest door de betrokken groepen. Het hele proces is gebaseerd op DNA-zelfassemblage, en levert talloze structuren op binnen een enkele patch. Klaar structuren worden verder gevangen voor metingen door elektrische velden.

"De superieure zelfassemblage-eigenschappen van het DNA, samen met zijn volwassen fabricage- en modificatietechnieken, bieden een breed scala aan mogelijkheden, ", zegt universitair hoofddocent Vesa Hytönen.

Elektrische metingen die in dit onderzoek zijn uitgevoerd, hebben voor het eerst aangetoond dat deze schaalbare fabricagemethoden op basis van DNA-zelfassemblage efficiënt kunnen worden gebruikt om apparaten met één elektron te fabriceren die bij kamertemperatuur werken.

Het onderzoek bouwt voort op een langdurige multidisciplinaire samenwerking tussen de betrokken onderzoeksgroepen. Naast bovengenoemde personen, Dr. Jenni Leppiniemi (BMT), Boxuan Shen (NSC), en dr. Wolfgang Fritzsche (IPHT, jena, Duitsland) hebben meegewerkt aan het onderzoek. Het onderzoek is op 13 oktober 2016 gepubliceerd in Nano-letters . Gezamenlijke reisfinanciering werd verkregen van DAAD in Duitsland.