DNA:s unika struktur är idealisk för att bära genetisk information, men forskare har nyligen hittat sätt att utnyttja denna mångsidiga molekyl för andra ändamål:Genom att kontrollera DNA-sekvenser, de kan manipulera molekylen för att bilda många olika former i nanoskala.

Kemiska och molekylära ingenjörer vid MIT och Harvard University har nu utökat detta tillvägagångssätt genom att använda vikt DNA för att kontrollera nanostrukturen hos oorganiska material. Efter att ha byggt DNA-nanostrukturer av olika former, de använde molekylerna som mallar för att skapa mönster i nanoskala på ark av grafen. Detta kan vara ett viktigt steg mot storskalig produktion av elektroniska chip gjorda av grafen, ett enatomtjockt ark av kol med unika elektroniska egenskaper.

"Detta ger oss ett kemiskt verktyg för att programmera former och mönster på nanometerskala, bildar elektroniska kretsar, till exempel, " säger Michael Strano, en professor i kemiteknik vid MIT och en senior författare till en artikel som beskriver tekniken i numret av den 9 april av Naturkommunikation .

Peng Yin, en biträdande professor i systembiologi vid Harvard Medical School och medlem av Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, är också en senior författare av tidningen, och MIT postdoc Zhong Jin är huvudförfattare. Andra författare är Harvard postdocs Wei Sun och Yonggang Ke, MIT doktorander Chih-Jen Shih och Geraldine Paulus, och MIT postdocs Qing Hua Wang och Bin Mu.

De flesta av dessa DNA-nanostrukturer är gjorda med hjälp av en ny metod utvecklad i Yins labb. Komplexa DNA-nanostrukturer med exakt föreskrivna former konstrueras med korta syntetiska DNA-strängar som kallas enkelsträngade plattor. Var och en av dessa brickor fungerar som en sammankopplande leksakssten och binder med fyra utsedda grannar.

Genom att använda dessa enkelsträngade plattor, Yins labb har skapat mer än 100 distinkta former i nanoskala, inklusive hela alfabetet med stora engelska bokstäver och många uttryckssymboler. Dessa strukturer är designade med hjälp av datorprogram och kan sättas ihop i en enkel reaktion. Alternativt sådana strukturer kan konstrueras med hjälp av en metod som kallas DNA-origami, där många korta DNA-strängar viker en lång sträng till en önskad form.

Dock, DNA tenderar att brytas ned när det utsätts för solljus eller syre, och kan reagera med andra molekyler, så det är inte idealiskt som ett långsiktigt byggmaterial. "Vi skulle vilja utnyttja egenskaperna hos mer stabila nanomaterial för strukturella tillämpningar eller elektronik, " säger Strano.

Istället, han och hans kollegor överförde den exakta strukturella informationen kodad i DNA till kraftigare grafen. Den kemiska processen som är involverad är ganska enkel, Strano säger:Först, DNA:t är förankrat på en grafenyta med hjälp av en molekyl som kallas aminopyrin, som till sin struktur liknar grafen. DNA:t beläggs sedan med små kluster av silver längs ytan, vilket gör att ett efterföljande lager av guld kan avsättas ovanpå silvret.

När molekylen är belagd med guld, det stabila metalliserade DNA:t kan användas som en mask för en process som kallas plasmalitografi. Syreplasma, ett mycket reaktivt "gasflöde" av joniserade molekyler, används för att slita bort all oskyddad grafen, lämnar efter sig en grafenstruktur identisk med den ursprungliga DNA-formen. Det metalliserade DNA:t tvättas sedan bort med natriumcyanid.

Forma grafenkretsar

Forskargruppen använde denna teknik för att skapa flera typer av former, inklusive X- och Y-korsningar, samt ringar och band. De fann att även om det mesta av den strukturella informationen är bevarad, viss information går förlorad när DNA beläggs med metall, så tekniken är ännu inte lika exakt som en annan teknik som kallas e-beam litografi.

Dock, e-beam litografi, som använder elektronstrålar för att skära in former i grafen, är dyrt och tar lång tid, så det skulle vara väldigt svårt att skala upp det för att massproducera elektriska eller andra komponenter gjorda av grafen.

En form av särskilt intresse för forskare är ett grafenband, som är en mycket smal remsa av grafen som begränsar materialets elektroner, ge det nya egenskaper. Grafen har normalt inte ett bandgap - en egenskap som är nödvändig för att något material ska fungera som en typisk transistor. Dock, grafenband har ett bandgap, så att de kan användas som komponenter i elektroniska kretsar.

"Det finns fortfarande intresse för att använda grafen för digital elektronik. Grafen i sig är inte idealiskt för detta, men om du mönstrar det till band, det kan vara möjligt, " säger Strano.

Forskare är också intresserade av grafenringar eftersom de kan användas som kvantinterferenstransistorer, en ny typ av transistor som skapas när elektroner strömmar runt en cirkel. Denna typ av beteende har bara nyligen observerats, och denna tillverkningsteknik skulle kunna göra det möjligt för forskare att skapa många ringar så att de kan studera detta fenomen mer noggrant.

På längre sikt, strategin för tillverkning av DNA-nanostrukturer kan hjälpa forskare att designa och bygga elektroniska kretsar gjorda av grafen. Detta har varit svårt hittills eftersom det är utmanande att placera små kolstrukturer, såsom nanorör och nanotrådar, på ett grafenark. Dock, att använda de metalliserade DNA-maskerna för att arrangera strukturer på ett ark grafen skulle kunna göra processen mycket lättare.

Det nya tillvägagångssättet är "konceptuellt nytt, " säger Robert Haddon, en professor i kemi- och miljöteknik vid University of California i Riverside, som inte ingick i forskargruppen. "Arbetet visar potentialen hos självmonterade metalliserade DNA-nanoarkitekturer som litografiska masker för mönstring i wafer-skala av grafenbaserade elektroniska kretselement. Jag tror att detta tillvägagångssätt kommer att stimulera ytterligare forskning om tillämpningen av nanomönstertekniker i grafenbaserad nanoelektronik. "

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.