Driedimensionale (3D) nanogestructureerde materialen - die met complexe vormen op een schaal van miljardsten van een meter - die elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand, kunnen worden gebruikt in een reeks kwantumapparaten. Bijvoorbeeld, dergelijke 3D supergeleidende nanostructuren zouden kunnen worden toegepast in signaalversterkers om de snelheid en nauwkeurigheid van kwantumcomputers en ultragevoelige magnetische veldsensoren voor medische beeldvorming en ondergrondse geologische mapping te verbeteren. Echter, traditionele fabricagetools zoals lithografie zijn beperkt tot 1-D en 2-D nanostructuren zoals supergeleidende draden en dunne films.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Universiteit van Colombia, en Bar-Ilan University in Israël hebben een platform ontwikkeld voor het maken van 3D supergeleidende nano-architecturen met een voorgeschreven organisatie. Zoals gemeld in het nummer van 10 november van Natuur Communicatie, dit platform is gebaseerd op de zelfassemblage van DNA in gewenste 3D-vormen op nanoschaal. Bij DNA-zelfassemblage, een enkele lange DNA-streng wordt gevouwen door kortere complementaire "stapel"-strengen op specifieke locaties - vergelijkbaar met origami, de Japanse kunst van het vouwen van papier.

"Vanwege de structurele programmeerbaarheid, DNA kan een assemblageplatform bieden voor het bouwen van ontworpen nanostructuren, " zei co-corresponderende auteur Oleg Gang, leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) en een professor in chemische technologie en toegepaste fysica en materiaalwetenschappen aan Columbia Engineering. "Echter, de kwetsbaarheid van DNA maakt het ongeschikt voor de fabricage van functionele apparaten en nanofabricage waarvoor anorganische materialen nodig zijn. In dit onderzoek, we hebben laten zien hoe DNA kan dienen als een steiger voor het bouwen van 3D-architecturen op nanoschaal die volledig kunnen worden "omgezet" in anorganische materialen zoals supergeleiders."

Om de steiger te maken, de wetenschappers van Brookhaven en Columbia Engineering ontwierpen eerst octaëdrische DNA-origami-frames. Aaron Michelson, Bende's afgestudeerde student, paste een DNA-programmeerbare strategie toe zodat deze frames zich zouden assembleren tot de gewenste roosters. Vervolgens, hij gebruikte een chemische techniek om de DNA-roosters te coaten met siliciumdioxide (silica), het stollen van de oorspronkelijk zachte constructies, die een vloeibare omgeving nodig hadden om hun structuur te behouden. Het team paste het fabricageproces aan zodat de constructies trouw waren aan hun ontwerp, zoals bevestigd door beeldvorming bij de CFN Electron Microscopy Facility en kleine-hoek röntgenverstrooiing bij de Complex Materials Scattering-bundellijn van Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Deze experimenten toonden aan dat de structurele integriteit behouden bleef nadat ze de DNA-roosters hadden gecoat.

"In zijn oorspronkelijke vorm, DNA is volledig onbruikbaar voor verwerking met conventionele nanotechnologiemethoden, "zei Bende. "Maar als we het DNA eenmaal met silica bedekken, we hebben een mechanisch robuuste 3D-architectuur waarmee we anorganische materialen kunnen deponeren met behulp van deze methoden. Dit is analoog aan traditionele nanofabricage, waarin waardevolle materialen worden afgezet op vlakke ondergronden, typisch silicium, functionaliteit toe te voegen."

Het team heeft de met silica gecoate DNA-roosters van de CFN naar Bar-Ilan's Institute of Superconductivity gestuurd, die wordt geleid door Yosi Yeshurun. Gang en Yeshurun ​​leerden elkaar een paar jaar geleden kennen, toen Gang een seminar gaf over zijn DNA-assemblageonderzoek. Yeshurun ​​- die de afgelopen tien jaar de eigenschappen van supergeleiding op nanoschaal heeft bestudeerd - dacht dat de DNA-gebaseerde benadering van Gang een oplossing zou kunnen bieden voor een probleem dat hij probeerde op te lossen:hoe kunnen we supergeleidende nanoschaalstructuren in drie dimensies fabriceren?

"Eerder, het maken van 3D-nanosupergeleiders was een zeer ingewikkeld en moeilijk proces met behulp van conventionele fabricagetechnieken, " zei Yeshurun, co-corresponderende auteur. "Hier, we hebben een relatief eenvoudige manier gevonden om de DNA-structuren van Oleg te gebruiken."

Bij het Instituut voor Supergeleiding, Yeshurun's afgestudeerde student Lior Shani verdampte een supergeleider bij lage temperatuur (niobium) op een siliciumchip met een klein monster van de roosters. De verdampingssnelheid en de temperatuur van het siliciumsubstraat moesten zorgvuldig worden gecontroleerd, zodat niobium het monster bedekte maar niet helemaal doordrong. Als dat is gebeurd, er kan een kortsluiting ontstaan ​​tussen de elektroden die worden gebruikt voor de elektronische transportmetingen.

"We hebben een speciaal kanaal in het substraat gesneden om ervoor te zorgen dat de stroom alleen door het monster zelf zou gaan, " legde Yeshurun ​​uit.

De metingen onthulden een 3D-array van Josephson-knooppunten, of dunne niet-supergeleidende barrières waardoor supergeleidende stroom tunnels. Arrays van Josephson-knooppunten zijn de sleutel tot het benutten van kwantumfenomenen in praktische technologieën, zoals supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten voor magnetische velddetectie. in 3D, meer knooppunten kunnen in een klein volume worden verpakt, het vergroten van het vermogen van het apparaat.

"DNA-origami produceert al bijna 15 jaar prachtige en sierlijke 3D-structuren op nanoschaal, maar DNA zelf is niet per se een bruikbaar functioneel materiaal, " zei Evan Runnerström, programmamanager voor materiaalontwerp bij het US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory van het US Army Research Office, die het werk gedeeltelijk financierde. "Wat prof. Gang hier heeft aangetoond, is dat je DNA-origami kunt gebruiken als sjabloon om bruikbare 3D-nanostructuren van functionele materialen te maken, zoals supergeleidend niobium. Dit vermogen om willekeurig complexe 3D-gestructureerde functionele materialen van onderaf te ontwerpen en te fabriceren, zal de moderniseringsinspanningen van het leger versnellen op gebieden als detectie, optiek, en kwantumcomputers."

"We hebben een pad gedemonstreerd voor hoe complexe DNA-organisaties kunnen worden gebruikt om zeer nanogestructureerde 3D-supergeleidende materialen te maken, "zei Gang. "Dit materiaalconversiepad geeft ons de mogelijkheid om een ​​verscheidenheid aan systemen te maken met interessante eigenschappen - niet alleen supergeleiding maar ook andere elektronische, mechanisch, optisch, en katalytische eigenschappen. We kunnen het ons voorstellen als een "moleculaire lithografie, "waar de kracht van DNA-programmeerbaarheid wordt overgebracht naar 3-D anorganische nanofabricage."