Naturen har inspirerat generationer av människor, erbjuder en uppsjö av olika material för innovationer. Ett sådant material är arvets molekyl, eller DNA, tack vare dess unika självmonterande egenskaper. Forskare vid Nanoscience Center (NSC) vid Jyväskylä universitet och BioMediTech (BMT) vid universitetet i Tammerfors har nu visat en metod för att tillverka elektroniska enheter med hjälp av DNA. DNA själv har ingen del i den elektriska funktionen, men fungerar som en byggnadsställning för att bilda en linjär, pärlhalsband-liknande nanostruktur bestående av tre guld-nanopartiklar.

Typen av elektrisk ledning i nanoskala material kan skilja sig mycket från vanliga, makroskala metallstrukturer, som har otaliga fria elektroner som bildar strömmen, vilket gör varje effekt av en enda elektron försumbar. Dock, även tillsatsen av en enda elektron i en nanoskala av metall kan öka dess energi tillräckligt för att förhindra ledning. Denna typ av tillägg av elektroner sker vanligtvis via en kvantmekanisk effekt som kallas tunneling, där elektroner tunnlar genom en energibarriär. I den här studien, elektronerna tunnlar från elektroden ansluten till en spänningskälla, till den första nanopartikeln och vidare till nästa partikel och så vidare, genom klyftorna mellan dem.

"Sådana enelektroniska enheter har tillverkats inom skalan på tiotals nanometer med hjälp av konventionella mikro- och nanofabrikationsmetoder i mer än två decennier, "säger universitetslektor Jussi Toppari från NSC. Toppari har studerat dessa strukturer redan i sitt doktorandarbete.

"Svagheten hos dessa strukturer har varit de kryogena temperaturer som behövs för att de ska fungera. Vanligtvis, drifttemperaturen för dessa enheter skalas upp när storleken på komponenterna minskar. Vårt yttersta mål är att få enheterna att arbeta vid rumstemperatur, vilket knappast är möjligt för konventionella nanofabrikationsmetoder - så nya platser måste hittas. "

Modern nanoteknik ger verktyg för att tillverka metalliska nanopartiklar med en storlek på bara några nanometer. Enkelelektroniska enheter tillverkade av dessa metalliska nanopartiklar kan fungera ända upp till rumstemperatur. NSC har lång erfarenhet av att tillverka sådana nanopartiklar.

"Efter tillverkningen, nanopartiklarna flyter i en vattenlösning och måste organiseras i önskad form och anslutas till hjälpkretsen, "förklarar forskaren Kosti Tapio." DNA-baserad självmontering tillsammans med dess förmåga att kopplas till nanopartiklar erbjuder en mycket lämplig verktygslåda för detta ändamål. "

Guldnanopartiklar fästs direkt i den vattenhaltiga lösningen på en DNA -struktur designad och tidigare testad av de involverade grupperna. Hela processen är baserad på DNA-självmontering, och ger otaliga strukturer inom en enda lapp. Klara strukturer fångas vidare för mätningar av elektriska fält.

"DNA:s överlägsna självmonteringsegenskaper, tillsammans med dess mogna tillverknings- och modifieringstekniker, erbjuder en mängd olika möjligheter, säger docent Vesa Hytönen.

Elektriska mätningar som utförts i denna studie visade för första gången att dessa skalbara tillverkningsmetoder baserade på DNA-självmontering effektivt kan användas för att tillverka enkelelektroniska enheter som arbetar vid rumstemperatur.

Forskningen bygger på ett långsiktigt tvärvetenskapligt samarbete mellan de berörda forskargrupperna. Förutom ovanstående personer, Dr Jenni Leppiniemi (BMT), Boxuan Shen (NSC), och Dr Wolfgang Fritzsche (IPHT, Jena, Tyskland) bidrog till forskningen. Studien publicerades den 13 oktober 2016 i Nano bokstäver . Samarbetsresor för resor erhölls från DAAD i Tyskland.