Columbia Engineering-onderzoekers, werken met Brookhaven National Laboratory, melden vandaag dat ze ontworpen op nanodeeltjes gebaseerde 3D-materialen hebben gebouwd die bestand zijn tegen een vacuüm, hoge temperaturen, hoge druk, en hoge straling. Dit nieuwe fabricageproces resulteert in robuuste en volledig ontwikkelde nanoschaalframeworks die niet alleen geschikt zijn voor een verscheidenheid aan functionele nanodeeltjestypes, 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 zouden kunnen vliegen, " zegt Oleg Gang, hoogleraar chemische technologie en toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, die de studie leidde die vandaag is gepubliceerd door wetenschappelijke vooruitgang . "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-struts 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 bestand zijn tegen zware omstandigheden, hoe ze zich vormen, en wat hun eigenschappen zijn."

Materiaaleigenschappen zijn anders op nanoschaal en onderzoekers onderzoeken al lang hoe deze kleine materialen kunnen worden gebruikt-1, 000 tot 10, 000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar - in allerlei toepassingen, van het maken van sensoren voor telefoons tot het bouwen van snellere chips voor laptops. fabricage technieken, echter, waren een uitdaging bij het realiseren van 3D-nano-architecturen. DNA-nanotechnologie maakt de creatie van complex georganiseerde materialen van nanodeeltjes mogelijk door zelfassemblage, maar gezien de zachte en omgevingsafhankelijke aard van DNA, dergelijke materialen kunnen onder slechts een beperkt aantal omstandigheden stabiel zijn. In tegenstelling tot, de nieuw gevormde materialen kunnen nu worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen waar deze technische constructies vereist zijn. Terwijl conventionele nanofabricage uitblinkt in het creëren van vlakke structuren, De nieuwe methode van Gang maakt de fabricage mogelijk van 3D-nanomaterialen die essentieel worden voor zoveel elektronische, optisch, en energietoepassingen.

Bende, die een gezamenlijke aanstelling heeft als groepsleider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials, loopt voorop op het gebied van DNA-nanotechnologie, die berust op het vouwen van de DNA-keten in de gewenste twee- en driedimensionale nanostructuren. Deze nanostructuren worden bouwstenen die kunnen worden geprogrammeerd via Watson-Crick-interacties om zichzelf te assembleren tot 3D-architecturen. Zijn groep ontwerpt en vormt deze DNA-nanostructuren, integreert ze met nanodeeltjes en stuurt de assemblage van gerichte materialen op basis van nanodeeltjes. En, nu, met deze nieuwe techniek het team kan deze materialen omzetten van zacht en breekbaar naar stevig 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-struts en de integriteit van de organisatie van de nanodeeltjes. Silica werkt goed omdat het helpt de nanostructuur van het ouder-DNA-rooster te behouden, vormt een robuuste cast van het onderliggende DNA en heeft geen invloed op de arrangementen van nanodeeltjes.

"Het DNA in zulke roosters neemt de eigenschappen van silica aan, " zegt Aaron Michelson, een doctoraat student uit de groep van Gang. "Het wordt stabiel in de lucht en kan worden gedroogd en maakt voor het eerst 3D-analyse op nanoschaal van het materiaal in de echte ruimte mogelijk. Bovendien, silica zorgt voor sterkte en chemische stabiliteit, het is goedkoop en kan naar behoefte worden aangepast - het is een erg handig materiaal."

Om meer te weten te komen over de eigenschappen van hun nanostructuren, het team stelde de geconverteerde tot silica DNA-nanodeeltjes roosters bloot aan extreme omstandigheden:hoge temperaturen boven de 1, 0000C en hoge mechanische spanningen boven 8GPa (ongeveer 80, 000 keer meer dan atmosferische druk, of 80 keer meer dan op de diepste oceaanplaats, de Marianentrog), en bestudeerde deze processen in-situ. Om de levensvatbaarheid van de structuren voor toepassingen en verdere verwerkingsstappen te meten, de onderzoekers stelden ze ook bloot aan hoge doses straling en gefocusseerde ionenstralen.

"Onze analyse van de toepasbaarheid van deze structuren om te koppelen met traditionele nanofabricagetechnieken, toont een echt robuust platform voor het genereren van veerkrachtige nanomaterialen via op DNA gebaseerde benaderingen voor het ontdekken van hun nieuwe eigenschappen, Bende merkt op. "Dit is een grote stap voorwaarts, omdat 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 de mechanica, elektronica, plasmonica, fotonica, supergeleiding, en energiematerialen."

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

"Computers worden al meer dan 40 jaar gemaakt met silicium, " Gang voegt toe. "Het duurde vier decennia om de fabricage terug te dringen tot ongeveer 10 nm voor vlakke structuren en apparaten. Nu kunnen we nano-objecten in een paar uur in een reageerbuis maken en monteren zonder duur gereedschap. Acht miljard verbindingen op een enkel rooster kunnen nu worden georkestreerd om zichzelf te assembleren door middel van processen op nanoschaal die we kunnen engineeren. Elke verbinding kan een transistor zijn, een voeler, of een optische zender - elk kan een beetje gegevens bevatten. Terwijl de wet van Moore vertraagt, de programmeerbaarheid van DNA-assemblagebenaderingen is er om ons vooruit te helpen bij het oplossen van problemen in nieuwe materialen en nanofabricage. Hoewel dit voor de huidige methoden een grote uitdaging is geweest, het is enorm belangrijk voor opkomende technologieën."