Tredimensionella (3-D) nanostrukturerade material - de med komplexa former i en storleksskala av miljarddelar av en meter - som kan leda elektricitet utan motstånd kan användas i en rad kvantenheter. Till exempel, sådana 3-D supraledande nanostrukturer skulle kunna användas i signalförstärkare för att förbättra hastigheten och noggrannheten hos kvantdatorer och ultrakänsliga magnetfältssensorer för medicinsk avbildning och kartläggning av geologi under ytan. Dock, traditionella tillverkningsverktyg som litografi har begränsats till 1-D och 2-D nanostrukturer som supraledande ledningar och tunna filmer.

Nu, forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory, Columbia University, och Bar-Ilan University i Israel har utvecklat en plattform för att göra 3-D supraledande nanoarkitekturer med en föreskriven organisation. Som rapporterats i numret 10 november av Naturkommunikation, denna plattform är baserad på självmontering av DNA till önskade 3D-former i nanoskala. I DNA-självmontering, en enda lång DNA-sträng viks av kortare komplementära "häftfibrer" på specifika platser - liknande origami, den japanska konsten att vika papper.

"På grund av dess strukturella programmerbarhet, DNA kan tillhandahålla en monteringsplattform för att bygga designade nanostrukturer, " sa medkorrespondent författare Oleg Gang, ledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) och professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap vid Columbia Engineering. "Dock, DNA:s bräcklighet gör att det verkar olämpligt för funktionell enhetstillverkning och nanotillverkning som kräver oorganiska material. I den här studien, vi visade hur DNA kan fungera som en ställning för att bygga 3D-arkitekturer i nanoskala som helt kan "konverteras" till oorganiska material som supraledare."

För att göra ställningen, forskarna från Brookhaven och Columbia Engineering designade först oktaedriskt formade DNA-origami-"ramar". Aaron Michelson, Gangs doktorand, tillämpade en DNA-programmerbar strategi så att dessa ramar skulle monteras till önskade gitter. Sedan, han använde en kemiteknik för att belägga DNA-gittren med kiseldioxid (kiseldioxid), stelna de ursprungligen mjuka konstruktionerna, som krävde en flytande miljö för att bevara sin struktur. Teamet skräddarsydde tillverkningsprocessen så att strukturerna var trogna deras design, som bekräftats av avbildning vid CFN-elektronmikroskopianläggningen och röntgenspridning med små vinklar vid Complex Materials Scattering-strållinjen för Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Dessa experiment visade att den strukturella integriteten bevarades efter att de belagt DNA-gittren.

"I sin ursprungliga form, DNA är helt oanvändbart för bearbetning med konventionella nanoteknologiska metoder, " sa Gang. "Men när vi väl belägger DNA:t med kiseldioxid, vi har en mekaniskt robust 3D-arkitektur som vi kan deponera oorganiska material på med dessa metoder. Detta är analogt med traditionell nanotillverkning, där värdefulla material deponeras på plana underlag, typiskt kisel, för att lägga till funktionalitet."

Teamet skickade de kiseldioxidbelagda DNA-gittren från CFN till Bar-Ilan's Institute of Superconductivity, som leds av Yosi Yeshurun. Gang och Yeshurun ​​blev bekanta för ett par år sedan, när Gang höll ett seminarium om sin DNA-sammansättningsforskning. Yeshurun ​​– som under det senaste decenniet har studerat egenskaperna hos supraledning på nanoskala – trodde att Gangs DNA-baserade tillvägagångssätt kunde ge en lösning på ett problem han försökte lösa:Hur kan vi tillverka supraledande strukturer i nanoskala i tre dimensioner?

"Tidigare, att göra 3-D nanosupraledare involverade en mycket komplicerad och svår process med konventionella tillverkningstekniker, sade Yeshurun, medkorresponderande författare. "Här, vi hittade ett relativt enkelt sätt att använda Olegs DNA-strukturer."

Vid Institute of Superconductivity, Yeshuruns doktorand Lior Shani förångade en lågtemperatursupraledare (niob) på ett kiselchip som innehöll ett litet prov av gittren. Avdunstningshastigheten och kiselsubstratets temperatur måste kontrolleras noggrant så att niob täckte provet men inte penetrerade hela vägen. Om det hände, en kortslutning kan uppstå mellan elektroderna som används för de elektroniska transportmätningarna.

"Vi skär en speciell kanal i substratet för att säkerställa att strömmen bara skulle gå genom själva provet, " förklarade Yeshurun.

Mätningarna avslöjade en 3D-uppsättning av Josephson-korsningar, eller tunna icke-supraledande barriärer genom vilka supraledande strömtunnlar. Arrays av Josephson-korsningar är nyckeln till att utnyttja kvantfenomen i praktisk teknik, såsom supraledande kvantinterferensanordningar för magnetfältsavkänning. I 3D, fler korsningar kan packas i en liten volym, öka enhetens effekt.

"DNA origami har producerat vackra och utsmyckade 3D-strukturer i nanoskala i nästan 15 år, men DNA i sig är inte nödvändigtvis ett användbart funktionsmaterial, sa Evan Runnerström, programledare för materialdesign vid U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory vid U.S. Army Research Office, som delvis finansierade arbetet. "Vad Prof. Gang har visat här är att du kan utnyttja DNA-origami som en mall för att skapa användbara 3-D nanostrukturer av funktionella material, som supraledande niob. Denna förmåga att godtyckligt designa och tillverka komplexa 3D-strukturerade funktionella material nerifrån och upp kommer att påskynda arméns moderniseringsinsatser inom områden som avkänning, optik, och kvantberäkning."

"Vi visade en väg för hur komplexa DNA-organisationer kan användas för att skapa mycket nanostrukturerade 3-D supraledande material, " sade Gang. "Denna materialomvandlingsväg ger oss en förmåga att göra en mängd olika system med intressanta egenskaper - inte bara supraledning utan även andra elektroniska, mekanisk, optisk, och katalytiska egenskaper. Vi kan föreställa oss det som en "molekylär litografi, "där kraften i DNA-programmerbarheten överförs till 3D oorganisk nanotillverkning."