Columbia Engineering forskare, arbetar med Brookhaven National Laboratory, rapporterar idag att de har byggt designade nanopartikelbaserade 3D-material som tål ett vakuum, höga temperaturer, högt tryck, och hög strålning. Denna nya tillverkningsprocess resulterar i robusta och helt konstruerade ramverk i nanoskala som inte bara kan rymma en mängd olika funktionella nanopartikeltyper utan också kan bearbetas snabbt med konventionella nanotillverkningsmetoder.

"Dessa egenmonterade nanopartikelbaserade material är så motståndskraftiga att de kan flyga i rymden, säger Oleg Gang, professor i kemiteknik och tillämpad fysik och materialvetenskap, som ledde studien som publicerades idag av Vetenskapens framsteg . "Vi kunde överföra 3D DNA-nanopartikelarkitekturer från flytande tillstånd - och från att vara ett böjligt material - till fast tillstånd, där kiseldioxid förstärker DNA-stag. Detta nya material behåller helt sin ursprungliga ramarkitektur av DNA-nanopartikelgitter, i huvudsak skapa en oorganisk 3D-replika. Detta gjorde det möjligt för oss att utforska - för första gången - hur dessa nanomaterial kan kämpa mot svåra förhållanden, hur de bildas, och vad deras egenskaper är."

Materialegenskaper är olika på nanoskala och forskare har länge undersökt hur man använder dessa små material—1, 000 till 10, 000 gånger mindre än tjockleken på ett människohår – i alla typer av tillämpningar, från att tillverka sensorer för telefoner till att bygga snabbare chips för bärbara datorer. Tillverkningstekniker, dock, har varit utmanande att förverkliga 3D nano-arkitekturer. DNA-nanoteknik möjliggör skapandet av komplext organiserade material från nanopartiklar genom självmontering, men med tanke på den mjuka och miljöberoende naturen hos DNA, sådana material kan vara stabila under endast ett snävt område av förhållanden. I kontrast, de nybildade materialen kan nu användas i ett brett spektrum av applikationer där dessa konstruerade strukturer krävs. Medan konventionell nanotillverkning utmärker sig när det gäller att skapa plana strukturer, Gangs nya metod möjliggör tillverkning av 3D-nanomaterial som blir avgörande för så många elektroniska, optisk, och energitillämpningar.

Gäng, som har ett gemensamt utnämning som gruppledare för Soft and Bio Nanomaterials Group vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials, är i framkant av DNA-nanoteknik, som bygger på att vika DNA-kedjan till önskade två- och tredimensionella nanostrukturer. Dessa nanostrukturer blir byggstenar som kan programmeras via Watson-Crick-interaktioner för att självmontera till 3D-arkitekturer. Hans grupp designar och formar dessa DNA-nanostrukturer, integrerar dem med nanopartiklar och leder sammansättningen av riktade nanopartikelbaserade material. Och, nu, med denna nya teknik, teamet kan förvandla dessa material från att vara mjuka och ömtåliga till solida och robusta.

Denna nya studie visar en effektiv metod för att omvandla 3D DNA-nanopartikelgitter till kiseldioxidrepliker, samtidigt som topologin för interpartikelförbindelserna bibehålls genom DNA-stötar och integriteten hos nanopartikelorganisationen. Kiseldioxid fungerar bra eftersom det hjälper till att behålla nanostrukturen i moder-DNA-gittret, bildar en robust avgjutning av det underliggande DNA:t och påverkar inte arrangemang av nanopartiklar.

"DNA:t i sådana galler antar egenskaperna hos kiseldioxid, säger Aaron Michelson, en Ph.D. student från Gangs grupp. "Det blir stabilt i luft och kan torkas och möjliggör 3D-analys av materialet i nanoskala för första gången i verkliga rymden. Dessutom, kiseldioxid ger styrka och kemisk stabilitet, det är billigt och kan modifieras efter behov – det är ett mycket bekvämt material."

För att lära dig mer om egenskaperna hos deras nanostrukturer, teamet exponerade de omvandlade till kiseldioxid DNA-nanopartiklar gitter för extrema förhållanden:höga temperaturer över 1, 0000C och höga mekaniska spänningar över 8GPa (cirka 80, 000 gånger mer än atmosfärstrycket, eller 80 gånger mer än på den djupaste havsplatsen, Mariangraven), och studerade dessa processer på plats. För att bedöma strukturernas lönsamhet för applikationer och ytterligare bearbetningssteg, forskarna exponerade dem också för höga doser av strålning och fokuserade jonstrålar.

"Vår analys av tillämpligheten av dessa strukturer för att koppla ihop med traditionella nanotillverkningstekniker visar en verkligt robust plattform för att generera motståndskraftiga nanomaterial via DNA-baserade metoder för att upptäcka deras nya egenskaper, "Gänganteckningar. "Detta är ett stort steg framåt, eftersom dessa specifika egenskaper gör att vi kan använda vår 3D-nanomaterialsammansättning och fortfarande få tillgång till hela sortimentet av konventionella materialbearbetningssteg. Denna integration av nya och konventionella nanotillverkningsmetoder behövs för att uppnå framsteg inom mekanik, elektronik, plasmonics, fotonik, supraledning, och energimaterial."

Samarbeten baserade på Gangs arbete har redan lett till ny supraledning och omvandling av kiseldioxiden till ledande och halvledande medier för vidare bearbetning. Dessa inkluderar en tidigare studie publicerad av Naturkommunikation och en nyligen publicerad av Nanobokstäver . Forskarna planerar också att modifiera strukturen för att göra ett brett utbud av material med mycket önskvärda mekaniska och optiska egenskaper.

"Datorer har tillverkats med kisel i över 40 år, " Gang tillägger. "Det tog fyra decennier att pressa tillverkningen ner till cirka 10 nm för plana strukturer och enheter. Nu kan vi tillverka och montera nanoobjekt i ett provrör på ett par timmar utan dyra verktyg. Åtta miljarder anslutningar på ett enda galler kan nu orkestreras för att självmontera genom processer i nanoskala som vi kan konstruera. Varje anslutning kan vara en transistor, en sensor, eller en optisk sändare – var och en kan vara en bit data som lagras. Medan Moores lag saktar ner, programmerbarheten av DNA-sammansättningsmetoder är till för att föra oss framåt för att lösa problem inom nya material och nanotillverkning. Även om detta har varit extremt utmanande för nuvarande metoder, det är oerhört viktigt för framväxande teknologier."