I arbete som en dag kan leda till utvecklingen av nya typer av elektroniska enheter i nanoskala, ett tvärvetenskapligt team av forskare vid California Institute of Technology har kombinerat DNA:s talang för självmontering med de anmärkningsvärda elektroniska egenskaperna hos kolnanorör, och föreslår därmed en lösning på det långvariga problemet med att organisera kolnanorör i elektroniska kretsar i nanoskala.

En tidning om arbetet dök upp den 8 november i den tidiga nätupplagan av Naturens nanoteknik .

"Det här projektet är ett av de stora "Var annars än på Caltech?" historier, säger Erik Winfree, docent i datavetenskap, beräknings- och nervsystem, och bioteknik på Caltech, och en av fyra fakultetsmedlemmar som övervakar projektet.

Både den första idén för projektet och dess slutliga genomförande kom från tre elever:Hareem T. Maune, en doktorand som studerar kolnanorörsfysik i laboratoriet av Marc Bockrath (då Caltech biträdande professor i tillämpad fysik, nu vid University of California, Riverside); Si-ping Han, en teoretiker inom materialvetenskap som undersöker växelverkan mellan kolnanorör och DNA i Caltech-laboratoriet hos William A. Goddard III, Charles och Mary Ferkel professor i kemi, Materialvetenskap, och tillämpad fysik; och Robert D. Barish, en grundexamen i datavetenskap som arbetade med komplex DNA-självmontering i Winfrees labb.

Projektet startade 2005, kort efter att Paul W. K. Rothemund uppfann sin revolutionerande DNA-origamiteknik. Just då, Rothemund var postdoktor i Winfrees laboratorium; i dag, han är senior forskarassistent inom bioteknik, datavetenskap, och beräknings- och neurala system.

Rothemunds arbete gav Maune, Han, och Barish idén att använda DNA-origami för att bygga kolnanorörskretsar.

DNA-origami är en typ av självmonterad struktur gjord av DNA som kan programmeras för att bilda nästan obegränsade former och mönster, som smileys eller kartor över västra halvklotet eller till och med elektriska diagram. Utnyttja sekvensigenkänningsegenskaperna för DNA-basparing, DNA-origami skapas av en lång enkelsträng av viralt DNA och en blandning av olika korta syntetiska DNA-strängar som binder till och "häftar" det virala DNA:t till önskad form, typiskt cirka 100 nanometer (nm) på en sida.

Enkelväggiga kolnanorör är molekylära rör som består av ett ihoprullat hexagonalt nät av kolatomer. Med diametrar som mäter mindre än 2 nm och ändå med längder på många mikron, de har ett rykte som några av de starkaste, mest värmeledande, och mest elektroniskt intressanta material som är känt. I åratal, forskare har försökt utnyttja deras unika egenskaper i nanoskala enheter, men just att arrangera dem i önskvärda geometriska mönster har varit en stor stötesten.

"Efter att ha hört Paulus tal, Hareem blev entusiastisk över idén att sätta nanorör på origami, " minns Winfree. "Under tiden, Rob hade pratat med sin vän Si-Ping, och de hade självständigt blivit entusiastiska över samma idé."

Bakom elevernas entusiasm låg förhoppningen om att DNA-origami skulle kunna användas som 100 nm gånger 100 nm molekylära breadboards – konstruktionsbaser för prototyper av elektroniska kretsar – på vilka forskare kunde bygga sofistikerade enheter helt enkelt genom att designa sekvenserna i origamin så att specifika nanorör skulle fästa i förutbestämda positioner.

"Innan du pratar med dessa elever, " Winfree fortsätter, "Jag hade inget intresse av att arbeta med kolnanorör eller att använda vårt labbs DNA-tekniska expertis mot sådana praktiska syften. Men, till synes från ingenstans, ett team hade satt sig själv med ett anmärkningsvärt spektrum av färdigheter och mycket entusiasm. Till och med Si-Ping, en fulländad teoretiker, gick in i labbet för att hjälpa till att förverkliga idén."

"Det här samarbetsprojektet är bevis på hur vi på Caltech väljer ut de bästa studenterna inom naturvetenskap och teknik och placerar dem i en miljö där deras kreativitet och fantasi kan frodas, säger Ares Rosakis, ordförande för avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap vid Caltech och Theodore von Kármán professor i flygteknik och professor i maskinteknik.

Det var inte lätt att förverkliga elevernas idéer. "Kolnanorörskemi är notoriskt svår och rörig - sakerna är helt och hållet kol, trots allt, så det är extremt svårt att få en reaktion att hända vid en vald kolatom och inte alls de andra, " förklarar Winfree.

"Denna svårighet med att kemiskt greppa ett nanorör vid ett väldefinierat "handtag" är kärnan i problemet när du försöker placera nanorör där du vill ha dem så att du kan bygga komplexa enheter och kretsar, " han säger.

Forskarnas geniala lösning var att utnyttja klibbigheten hos enkelsträngat DNA för att skapa de saknade handtagen. Det är denna klibbighet som förenar de två strängarna som utgör en DNA-helix, genom parning av DNA:s nukleotidbaser (A, T, C, och G) med de som har komplementära sekvenser (A med T, C med G).

"DNA är den perfekta molekylen för att känna igen andra DNA-strängar, och enkelsträngat DNA råkar också gilla att hålla sig till kolnanorör, " säger Han. "Så vi blandar nakna nanorör med DNA-molekyler i saltvatten, och de fastnar över hela nanorörens ytor. Dock, vi ser till att lite av varje DNA-molekyl är skyddad, så att den lilla delen inte fastnar på nanoröret, och vi kan använda den för att känna igen DNA fäst vid DNA-origami istället."

Forskarna skapade två partier av kolnanorör märkta av DNA med olika sekvenser, som de kallade "röd" och "blå".

"Metaforiskt, vi doppade en sats nanorör i röd DNA-färg, och doppade ytterligare en sats nanorör i blå DNA-färg, " säger Winfree. Anmärkningsvärt, denna DNA-färg fungerar som färgspecifik kardborre.

"Dessa DNA-molekyler fungerade som handtag eftersom ett par enkelsträngade DNA-molekyler med komplementära sekvenser lindar sig runt varandra för att bilda en dubbelspiral. Alltså, " han säger, "rött kan binda starkt till antirött, och blått med anti-blått."

"Följaktligen, " han lägger till, "om vi ritar en remsa av antirött DNA på en yta, och häll de rödbelagda nanorören över det, nanorören kommer att fastna på linjen. Men de blåbelagda nanorören fastnar inte, eftersom de bara håller sig till en anti-blå linje."

För att göra elektroniska kretsar i nanometerskala av kolnanorör krävs förmågan att rita DNA-ränder i nanometerskala. Tidigare, detta skulle ha varit en omöjlig uppgift. Rothemunds uppfinning av DNA-origami, dock, gjort det möjligt.

"En standard DNA-origami är en rektangel med en storlek på cirka 100 nm, med över 200 "pixel"-positioner där godtyckliga DNA-strängar kan fästas, " säger Winfree. För att integrera kolnanorören i detta system, forskarna färgade några av dessa pixlar anti-röda, och andra anti-blått, effektivt markera de positioner där de ville att de färgmatchade nanorören skulle fästa. De designade sedan origamin så att de rödmärkta nanorören skulle korsa vinkelrätt mot de blå nanorören, gör vad som kallas en fälteffekttransistor (FET), en av de mest grundläggande enheterna för att bygga halvledarkretsar.

Även om deras process är konceptuellt enkel, forskarna var tvungna att räkna ut många kinks, såsom att separera buntarna av kolnanorör till individuella molekyler och fästa enkelsträngat DNA; hitta rätt skydd för dessa DNA-strängar så att de kunde känna igen sina partners på origami; och hitta de rätta kemiska förhållandena för självmontering.

Efter ungefär ett år, laget hade framgångsrikt placerat korsade nanorör på origamin; de kunde se korsningen via atomkraftsmikroskopi. Dessa system togs bort från lösningen och placerades på en yta, varefter ledningar fästes för att mäta enhetens elektriska egenskaper. När lagets enkla enhet kopplades till elektroder, den betedde sig verkligen som en fälteffekttransistor. "Fälteffekten" är användbar eftersom "transistorns två komponenter, kanalen och porten, behöver faktiskt inte röra för att det ska bli en växlingseffekt, " Rothemund förklarar. "Det ena kolnanoröret kan ändra konduktiviteten hos det andra bara på grund av det elektriska fältet som bildas när en spänning appliceras på det."

Vid denna tidpunkt, forskarna var övertygade om att de hade skapat en metod som kunde konstruera en enhet från en blandning av nanorör och origami.

"Det fungerade, " säger Winfree. "Jag kan inte säga perfekt – det finns mycket utrymme för förbättringar. Men det var tillräckligt för att demonstrera den kontrollerade konstruktionen av en enkel enhet, en korsning av ett par kolnanorör."

"Vi förväntar oss att vårt tillvägagångssätt kan förbättras och utökas för att på ett tillförlitligt sätt konstruera mer komplexa kretsar som involverar kolnanorör och kanske andra element inklusive elektroder och ledningar, "Goddard säger, "som vi förväntar oss kommer att ge nya sätt att undersöka beteendet och egenskaperna hos dessa anmärkningsvärda molekyler."

Den verkliga fördelen med metoden, han påpekar, är att självmontering inte bara gör en enhet åt gången. "Det här är en skalbar teknik. Det vill säga, man kan designa origamin för att konstruera komplexa logiska enheter och att göra detta för tusentals eller miljoner eller miljarder enheter som självmonteras parallellt."

Mer information: "Självmontering av kolnanorör till tvådimensionella geometrier med hjälp av DNA-origamimallar, " Naturens nanoteknik .

Källa:California Institute of Technology (nyheter:webb)