ساخت نانوساختارهای ابررسانای سه بعدی با DNA

معماری های پیچیده نانومقیاس سه بعدی مبتنی بر خود مونتاژ DNA می توانند الکتریسیته را بدون مقاومت هدایت کنند و ممکن است بستری را برای ساخت دستگاه های محاسبه و حسگر کوانتومی فراهم کنند.

مواد نانوساختار سه بعدی (3-D) – آنهایی که دارای اشکال پیچیده در مقیاس اندازه میلیاردم متر هستند – که می توانند الکتریسیته را بدون مقاومت هدایت کنند ، می توانند در طیف وسیعی از دستگاه های کوانتومی استفاده شوند. به عنوان مثال ، چنین نانوساختارهای ابررسانای 3 بعدی می توانند در تقویت کننده های سیگنال کاربردی را برای افزایش سرعت و دقت رایانه های کوانتومی و حسگرهای میدان مغناطیسی فوق العاده حساس برای تصویربرداری پزشکی و نقشه برداری زمین شناسی زیرسطحی پیدا کنند. با این حال ، ابزارهای ساخت سنتی مانند لیتوگرافی به نانوساختارهای 1-D و 2-D مانند سیم های ابررسانا و فیلم های نازک محدود شده اند.

اکنون دانشمندان آزمایشگاه ملی بروخاون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) ، دانشگاه کلمبیا و دانشگاه بار ایلان در اسرائیل بستری را برای ساخت نانو معماری ابررسانای 3 بعدی با یک سازمان تجویز شده ایجاد کرده اند. همانطور که در شماره 10 نوامبر 2020 ، ارتباطات طبیعت گزارش شد ، این سیستم عامل بر اساس خود مونتاژ DNA به شکل های 3-D مورد نظر در مقیاس نانو است. در خود مونتاژ DNA ، یک رشته طولانی از DNA توسط رشته های مکمل کوتاه تر “مکمل” در مکان های خاص جمع می شود – شبیه اریگامی ، هنر ژاپنی تاشو کاغذ.

نویسنده همکار ، اولگ گانگ ، رهبر گروه نانومواد نرم و زیستی در مرکز آزمایشگاه های نانومواد آزمایشگاه بروخاون (CFN) و استاد شیمی گفت: “DNA به دلیل قابلیت برنامه ریزی ساختاری ، می تواند بستر مونتاژی برای ساخت نانوساختارهای طراحی شده فراهم کند.” مهندسی و فیزیک کاربردی و علوم مواد در مهندسی کلمبیا. “با این وجود ، شکنندگی DNA باعث می شود که برای ساخت دستگاه های کاربردی و تولید نانو که به مواد غیر آلی نیاز دارد ، نامناسب به نظر برسد. در این مطالعه ، ما نشان دادیم که چگونه DNA می تواند به عنوان یک داربست برای ساخت معماری در مقیاس نانو 3-D که می تواند به طور کامل “تبدیل” شود به مواد غیر آلی مانند ابررساناها عمل کند. “

برای ساخت داربست ، ابتدا دانشمندان مهندسی بروكهاون و كلمبیا “قابهای” اوریگامی DNA به هشت ضلعی را طراحی كردند. آرون میکلسون ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی Gang ، استراتژی قابل برنامه ریزی DNA را اعمال کرد تا این قاب ها در شبکه های دلخواه جمع شوند. سپس ، او از یک روش شیمی برای پوشاندن شبکه های DNA با دی اکسید سیلیکون (سیلیس) استفاده کرد و ساختارهای نرم اصلی را محکم کرد ، که برای حفظ ساختار آنها به یک محیط مایع احتیاج داشت. این تیم فرآیند ساخت را متناسب با طرح خود مطابقت داده است ، همانطور که توسط تصویربرداری در مرکز میکروسکوپ الکترونی CFN و پراکندگی اشعه ایکس با زاویه کوچک در پرتوی پراکندگی مواد پیچیده از منبع نور ملی سنکروترون Brookhaven (NSLS-II) تایید شده است. )

گانگ گفت: “DNA در فرم اصلی خود برای پردازش با روشهای معمول نانوتكنولوژی كاملاً غیر قابل استفاده است.” “اما هنگامی که DNA را با سیلیس پوشاندیم ، ما یک ساختار 3-D مکانیکی قوی داریم که می توانیم مواد غیر آلی را با استفاده از این روش ها رسوب دهیم. این مشابه تولید نانو سنتی است که در آن مواد ارزشمندی برای افزودن قابلیت بر روی لایه های مسطح ، به طور معمول سیلیکون ، رسوب می کنند. “

این تیم شبکه های DNA روکش شده با سیلیس را از CFN به انستیتوی ابررسانایی Bar-Ilan حمل کردند که ریاست آن را Yosi Yeshurun ​​بر عهده دارد. گانگ و یشورون چند سال پیش آشنا شدند ، زمانی که گنگ سمینار تحقیقات مونتاژ DNA خود را ارائه داد. یشورون – که طی دهه گذشته خواص ابررسانایی را در مقیاس نانو مورد بررسی قرار داده است – فکر کرد که روش مبتنی بر DNA گانگ می تواند راه حلی برای مسئله ای که وی در تلاش برای حل آن بود فراهم کند: چگونه می توان ساختارهای نانو مقیاس ابررسانا را در سه بعد ساخت؟

یشورون ، نویسنده همکار ، گفت: “پیش از این ، ساخت ناقل های ابررسانای 3-D شامل یک فرایند بسیار پیچیده و دشوار با استفاده از تکنیک های ساخت معمولی بود. “در اینجا ، ما با استفاده از ساختارهای DNA اولگ راهی نسبتاً ساده را پیدا کردیم.”

در انستیتوی ابررسانایی ، لیور شانی ، دانشجوی کارشناسی ارشد یشورون ، یک ابررسانای دمای پایین (نیوبیوم) را روی تراشه سیلیکون حاوی نمونه کوچکی از شبکه ها تبخیر کرد. سرعت تبخیر و دمای بستر سیلیکون باید به دقت کنترل شود تا نیوبیم نمونه را پوشش دهد اما از تمام راه نفوذ نکند. اگر این اتفاق بیفتد ، می تواند بین الکترودهای مورد استفاده برای اندازه گیری حمل و نقل الکترونیکی کوتاه باشد.

یشورون توضیح داد: “ما کانال خاصی را در بستر قطع می کنیم تا اطمینان حاصل شود که جریان فقط از طریق نمونه عبور می کند.”

این اندازه گیری ها یک آرایه 3 بعدی از اتصالات جوزفسون یا موانع ناقص انتقال غیر ابررسانا را نشان می دهد که از طریق آنها تونل های ابررسانا جریان دارند. آرایه های اتصالات جوزفسون کلید استفاده از پدیده های کوانتومی در فناوری های عملی مانند دستگاه های تداخل کوانتومی ابررسانا برای سنجش میدان مغناطیسی است. در 3-D ، اتصالات بیشتری را می توان به حجم کم بسته بندی کرد و باعث افزایش قدرت دستگاه می شود.

ایوان رانرنستروم ، مدیر برنامه برای طراحی مواد در ارتش آمریکا ، فرماندهی توسعه توانایی های جنگی ، گفت: “DNA اریگامی تقریباً 15 سال است که ساختارهای نانومقیاس 3-D زیبا و آراسته تولید می کند ، اما DNA خود لزوماً یک ماده کاربردی مفید نیست.” آزمایشگاه دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده ، که بخشی از بودجه کار را تأمین کرد. “آنچه که پروفسور گانگ در اینجا نشان داده این است که شما می توانید DNA اریگامی را به عنوان الگویی برای ایجاد نانوساختارهای 3-D مفید از مواد عملکردی مانند نیوبیم ابررسانا استفاده کنید. این توانایی در طراحی و ساخت خودسرانه مواد کاربردی پیچیده ساختار 3-D از پایین به بالا ، تلاش های مدرن سازی ارتش را در مناطقی مانند سنجش ، اپتیک و محاسبات کوانتومی تسریع می کند. “

گانگ گفت: “ما مسیری را نشان دادیم كه چگونه می توان از سازمانهای DNA پیچیده برای ایجاد مواد ابررسانای 3-D با ساختار بسیار نانومتری استفاده كرد.” “این مسیر تبدیل مواد به ما توانایی ساخت انواع سیستم ها با خصوصیات جالب را می دهد – نه تنها ابررسانایی بلکه سایر خصوصیات الکترونیکی ، مکانیکی ، نوری و کاتالیزوری. ما می توانیم آن را به عنوان “لیتوگرافی مولکولی” تصور کنیم ، جایی که قدرت قابلیت برنامه ریزی DNA به نانو ساخت غیر معدنی 3-D منتقل می شود. “