Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Columbia University en Stony Brook University hebben een universele methode ontwikkeld voor het produceren van een breed scala aan ontworpen metalen en halfgeleider 3D-nanostructuren – de potentiële basismaterialen voor halfgeleiderapparaten van de volgende generatie. neuromorfisch computergebruik en geavanceerde energietoepassingen.

De nieuwe methode, die gebruik maakt van een ‘gehackte’ vorm van DNA die moleculen de opdracht geeft zichzelf in gerichte 3D-patronen te organiseren, is de eerste in zijn soort die robuuste nanostructuren uit meerdere materiaalklassen produceert. Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances .

"We gebruiken DNA al meer dan tien jaar om materialen op nanoschaal te programmeren", zegt corresponderende auteur Oleg Gang, hoogleraar chemische technologie en toegepaste natuurkunde en materiaalkunde bij Columbia Engineering en leider van de Soft and Bio Nanomaterials Group bij het Center voor functionele nanomaterialen (CFN). CFN is een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in Brookhaven Lab.

"Door voort te bouwen op eerdere prestaties hebben we nu een methode ontwikkeld om deze op DNA gebaseerde structuren om te zetten in vele soorten functionele anorganische 3D-nano-architecturen, en dit opent enorme kansen voor productie op nanoschaal in 3D."

Zelfassemblage zit in het DNA van dit team

CFN is toonaangevend in het onderzoek naar zelfassemblage, het proces waarbij moleculen zichzelf spontaan organiseren. In het bijzonder zijn wetenschappers bij CFN experts op het gebied van DNA-gerichte assemblage.

Onderzoekers programmeren DNA-strengen om het zelfassemblageproces te 'sturen' naar moleculaire arrangementen die aanleiding geven tot gunstige eigenschappen, zoals elektrische geleidbaarheid, lichtgevoeligheid en magnetisme. Vervolgens kunnen deze structuren worden opgeschaald naar functionele materialen. Tot nu toe heeft CFN DNA-gerichte assemblage gebruikt om schakelbare dunne films, 3D-nanosupergeleiders en meer te produceren.

"We hebben verschillende soorten structuren gedemonstreerd die we kunnen organiseren met behulp van DNA-gestuurde assemblage. Maar om dit onderzoek naar een hoger niveau te tillen, kunnen we niet alleen op DNA vertrouwen", zei Gang. "We moesten onze methode uitbreiden om robuustere structuren te maken met meer specifieke functionaliteit voor geavanceerde technologieën zoals micro-elektronica en halfgeleiderapparaten."

Onlangs zijn Gang en collega's, waaronder verschillende studenten, erin geslaagd silica, een geoxideerde vorm van silicium, op een DNA-rooster te laten groeien. Door de toevoeging van silica ontstond een veel robuustere structuur, maar de procedure was niet breed toepasbaar op verschillende materialen. Het team had nog verder onderzoek nodig om een ​​methode te ontwikkelen die op een efficiënte manier metallische en halfgeleidermaterialen kon produceren.

Stapeltechnieken (en expertise)

Om een ​​meer universele methode uit te werken voor het produceren van 3D-nanostructuren, hebben onderzoekers van CFN's Soft and Bio Nanomaterials Group samengewerkt met de Electronic Nanomaterials Group van het Centrum.

"De relatie tussen verschillende onderzoeksgroepen bij CFN is voor iedereen zeer vruchtbaar", zegt hoofdauteur Aaron Michelson, een postdoctoraal onderzoeker bij CFN die dit onderzoek begon als afgestudeerde student aan Columbia.

"Onze bio- en zachte materie-laboratoria liggen naast de materiaalsynthese-laboratoria, die naast de elektronenmicroscopie-laboratoria liggen, dus het is een zeer synergetische relatie. De cultuur van CFN maakt het gemakkelijker om onderzoek te herhalen, en bovendien zijn we omringd door alle toonaangevende apparatuur die we nodig hebben."

Wetenschappers van de Electronic Nanomaterials Group waren een pionier in een nieuwe materiaalsynthesetechniek, genaamd dampfase-infiltratie. Deze techniek bindt een chemische precursor, in dampvorm, aan een rooster op nanoschaal, dat voorbij het oppervlak en diep in de structuur van het materiaal doordringt.

Door deze techniek toe te passen op de silicastructuren die het team van Gang eerder had gebouwd, met behulp van voorlopers met metalen elementen, konden de onderzoekers 3D-metalen structuren produceren.

"We gebruikten deze techniek al voor andere toepassingen, zoals het verbeteren van micro-elektronische materialen of gasscheidingsmembranen voor waterstof, toen we ons realiseerden dat deze kon worden toegepast op DNA-gerichte assemblage", zegt co-corresponderende auteur Chang-Yong Nam, een wetenschapper in de Electronic Nanomaterials Group bij CFN.

Nam leidt het onderzoeksprogramma voor de ontwikkeling van dampfase-infiltratiesynthesemethoden voor micro-elektronica en energietechnologietoepassingen. "Dat was heel spannend."

Het team experimenteerde ook met infiltratie in de vloeistoffase, een andere techniek die chemische bindingen vormt op het oppervlak van een materiaal, behalve met een vloeibare precursor. In dit geval bond het team verschillende metaalzouten aan silica, waardoor een verscheidenheid aan metaalstructuren ontstond.

"Door coatings met één en meerdere elementen te integreren via infiltratietechnieken in de vloeistof- en dampfase, hebben we het onderliggende DNA-rooster behouden en tegelijkertijd de productie van anorganische 3D-nanostructuren mogelijk gemaakt", aldus Gang.

Michelson voegde hieraan toe:‘Een andere manier om na te denken over hoe we deze structuren hebben gebouwd, is door het te vergelijken met het bouwen van een huis. Eerst construeer je de botten – het hout in het huis of het silica in deze materialen. functionele componenten, zoals isolatie of metalen elementen."

De verscheidenheid aan functionele componenten die beschikbaar zijn, zowel voor huizen als voor nanomaterialen, is enorm. Om huizen tegen stormen te beschermen, hebben sommige huizen bijvoorbeeld orkaanbestendige ramen nodig en sommige huizen een verhoogde fundering. Andere huizen hebben een combinatie van unieke, functionele componenten zoals deze nodig – en hetzelfde geldt voor nanomaterialen. Om de productie van de meest uiteenlopende functionele nanostructuren via één enkele methode mogelijk te maken, besloot het team dus beide infiltratietechnieken te stapelen.

"Het stapelen van deze technieken toonde veel meer diepgaande controle dan ooit tevoren is bereikt", zei Michelson. "Alle dampen die beschikbaar zijn als voorlopers voor infiltratie in de dampfase kunnen worden gekoppeld aan verschillende metaalzouten die compatibel zijn met infiltratie in de vloeistoffase om complexere structuren te creëren. We konden bijvoorbeeld platina, aluminium en zink combineren bovenop één nanostructuur ."

Deze universele methode was uiterst effectief voor het produceren van 3D-nanostructuren van een grote verscheidenheid aan materiaalsamenstellingen – in die mate dat het de onderzoekers verraste. Het team was in staat om 3D-nanostructuren te produceren die verschillende combinaties van zink, aluminium, koper, molybdeen, wolfraam, indium, tin en platina bevatten. Dit is de eerste demonstratie in zijn soort voor het maken van zeer gestructureerde 3D-nanomaterialen.

"Een van de meest verrassende dingen aan dit experiment is dat we met succes zoveel verschillende materiaalsamenstellingen van nanostructuren konden produceren met behulp van een identiek procesprotocol op een manier die eenvoudig, herhaalbaar en robuust is", aldus Michelson.

"Normaal gesproken moet je voor dit soort onderzoek een aanzienlijke hoeveelheid tijd besteden aan slechts één klasse materialen om het dag in dag uit werkend te krijgen. Terwijl hier bijna alles wat we probeerden snel werkte, en op een gegeven moment, we moesten gewoon stoppen met het produceren van structuren omdat we erover wilden schrijven."

Zien is geloven

Om het succes van deze methode voor elke nanostructuur die ze ontwikkelden te bewijzen, tot in het kleinste detail, maakten de onderzoekers gebruik van de expertise en beeldvormingsfaciliteiten van wereldklasse bij CFN en de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). NSLS-II is een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Brookhaven Lab die ultraheldere röntgenstralen produceert om de fysieke, chemische en elektronische samenstelling van monsters op atomaire schaal te verlichten.

"We hebben niet alleen al deze nanostructuren gemaakt, maar we hebben ze ook allemaal volledig gekarakteriseerd om ze verder te begrijpen en te verwerken", aldus Michelson. "In eerste instantie zouden deze materialen in een tussenliggende staat kunnen bestaan, die we verder zouden kunnen verwerken tot een uiteindelijke, meer functionele en bruikbare staat."

Er zijn verschillende eigenschappen nodig om bruikbare materialen te maken voor technologieën zoals halfgeleiderapparaten. Voor deze studie verleenden de onderzoekers elektrische geleidbaarheid en fotoactiviteit aan de 3D-nanostructuren. Ze begonnen bijvoorbeeld met een isolatiemateriaal en voegden vervolgens, via hun nieuwe DNA-gerichte assemblagemethode die twee infiltratietechnieken omvat, halfgeleidende metaaloxiden toe, zoals zinkoxide, zodat de nanostructuur zijn elektrische geleidbaarheid en fotoluminescentie kon erven.

Ten slotte brachten ze de monsters van al hun eindproducten naar beeldvormingsfaciliteiten in het Brookhaven Lab om hun volumetrische samenstelling te bekijken.

Bij CFN gebruikte het team de elektronenmicroscopiefaciliteit om hogeresolutiebeelden van hun structuren te maken na dampfase-infiltratie, vloeistoffase-infiltratie en het combineren van beide technieken, voor elke gebruikte precursor.

Ze maakten gebruik van een combinatie van transmissie-elektronenmicroscopen en scanning-elektronenmicroscopen, die beelden genereren met een resolutie op nanoschaal door te analyseren hoe elektronen respectievelijk terugkaatsen of door de monsters gaan.

Dankzij deze technieken konden de onderzoekers schilderachtige beelden van hun nanostructuren maken en hun chemische rangschikkingen met hoge precisie en in kleine delen van hun monsters in kaart brengen.

Om 3D-weergaven van deze informatie over grotere gebieden te verkrijgen, gebruikte het team de bundellijn Complex Materials Scattering (CMS) en de bundellijn Hard X-ray Nanoprobe (HXN) op NSLS-II.

CMS is een partnerbundellijn die gezamenlijk wordt beheerd door NSLS-II en CFN. Daar richtten de onderzoekers de ultraheldere röntgenstralen van NSLS-II op hun monsters, waarbij ze observeerden hoe de röntgenstralen zich verspreidden om de 3D-atomaire arrangementen van de nanostructuren af ​​te leiden. Ondertussen zorgde HXN voor directe 3D-beelden van zowel de structuren als hun chemische ‘kaarten’.

De onderzoekers gebruikten de belangrijkste techniek van HXN, röntgennanotomografie, die op dezelfde manier functioneert als een medische CT-scan. De bundellijn legt 180 2D-projecties van het monster vast, waarbij het één graad tegelijk wordt gedraaid. Vervolgens construeren computers een 3D-beeld uit de reeks projecties. Maar in tegenstelling tot CT-scans bevat HXN een nanosonde om de projecties met nanometerresolutie vast te leggen.

"Dit soort chemische details kunnen niet worden vastgelegd door andere technieken of andere faciliteiten", zegt co-auteur Hanfei Yan, hoofdbundellijnwetenschapper bij HXN. "En deze informatie was erg belangrijk voor dit onderzoek vanwege de complexiteit van de nanostructuren. Door de elementaire distributie bloot te leggen, konden we bepalen of de nieuwe methode effectief was en of de coatings volledig door het rooster drongen."

Michelson zei:"HXN voorzag ons van een ruimtelijke en elementaire resolutie die we nergens anders konden bereiken. HXN hielp ons te bevestigen dat deze coatings niet alleen aanwezig waren op de materiaaloppervlakken, maar dat ze feitelijk volumetrisch waren voor het monster."

De groep gebruikte deze techniek eerder om de 3D-structuur van DNA-roosters met een resolutie van enkele deeltjes te onthullen. Deze techniek stelde hen nu in staat de rangschikkingen van metalen en halfgeleider nanokenmerken diep in het monster te onthullen, wat belangrijk was voor het verifiëren van de betrouwbaarheid en kracht van hun fabricagemethode.

Toonaangevend onderzoek toegankelijk maken

Nu het succes van hun nieuwe methode is bevestigd, zal CFN nu proberen de methode toe te passen op complexer onderzoek en deze aan te bieden aan bezoekende wetenschappers. Als gebruikersfaciliteit stelt CFN zijn capaciteiten en expertise beschikbaar voor "gebruikers" in het hele land en over de hele wereld. Het ondersteunen van gebruikersexperimenten biedt externe onderzoekers niet alleen hulpmiddelen waartoe ze normaal gesproken geen toegang zouden hebben, maar het opent ook de deur naar nieuwe samenwerkingen en wetenschappelijke ideeën die anders nooit zouden worden gerealiseerd.

"Wij ontwikkelen deze materialen en methoden, en dat is interessant voor onze eigen programma's bij CFN, maar we zouden ook graag zien dat gebruikers deze methoden gebruiken voor hun eigen onderzoek", aldus Gang. "We streven er altijd naar om onze methoden op te schalen en nieuwe onderzoekers te verbinden met onze ontwikkelingen. We willen dat ons werk ten goede komt aan de bredere wetenschappelijke gemeenschap, en niet alleen aan Brookhaven Lab."

Het ecosysteem van de expertise en faciliteiten van CFN dat dit onderzoek ten goede kwam, is ook een voordeel voor gebruikers, en CFN breidt zijn aanbod voortdurend uit en maakt het toegankelijker. Wetenschappers willen de nieuwe onderzoeksmethode bijvoorbeeld implementeren in een van de nieuwste hulpmiddelen van het Centrum, een robot voor vloeistofbehandeling.

"Het ontwikkelen van deze methoden en het publiceren van artikelen is slechts een deel van de algemene missie van CFN", zegt co-auteur Jason Kahn, stafwetenschapper bij CFN's Soft and Bio Nanomaterials Group.

"Een ander belangrijk doel voor CFN is om ons werk en onze faciliteiten toegankelijker te maken, en dat betekent het ontwikkelen van een standaardprotocol waarmee gebruikers materialen met een hoge doorvoer kunnen synthetiseren. We willen dat gebruikers naar ons toe kunnen komen en zeggen:'Ik wil om dit materiaal met deze dikte, structuur en samenstelling te maken om deze specifieke eigenschappen te krijgen.' Het implementeren van de liquid handler zal dat protocol vergemakkelijken."

CFN bestudeert ook de mechanische eigenschappen van nanomaterialen, en de materialen zoals die in dit werk zijn ontwikkeld, hebben een groot potentieel voor het verbeteren van de mechanische prestaties, zoals onlangs door de groep in een ander onderzoek werd aangetoond.

Over het geheel genomen heeft CFN's nieuwe methode voor het creëren van ontworpen, robuuste en functioneel afstembare 3D-nanostructuren de weg geëffend voor doorbraken in geavanceerde productie op kleine schaal. Hun werk zou diverse opkomende technologieën mogelijk kunnen maken, en het zal nieuwe kansen bieden voor wetenschappelijke initiatieven en gebruikers van Brookhaven Lab.

Meer informatie: Aaron Michelson et al, Driedimensionale metaal-, metaaloxide- en halfgeleiderframeworks op nanoschaal via DNA-programmeerbare assemblage en templates, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0604

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Geleverd door Brookhaven National Laboratory