Tecnologia Científica

Fazendo nanosupercondutores 3-D com DNA
Na automontagem do DNA, uma única longa fita de DNA é dobrada por fitas complementares
Por Laboratório Nacional de Brookhaven - 10/11/2020


Uma ilustração que mostra como materiais supercondutores 3-D altamente nanoestruturados podem ser criados com base na automontagem do DNA. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

Materiais nanoestruturados tridimensionais (3-D) - aqueles com formas complexas em uma escala de tamanho de bilionésimos de um metro - que podem conduzir eletricidade sem resistência poderiam ser usados ​​em uma variedade de dispositivos quânticos. Por exemplo, tais nanoestruturas supercondutoras 3-D poderiam encontrar aplicação em amplificadores de sinal para aumentar a velocidade e precisão de computadores quânticos e sensores de campo magnético ultrassensível para imagens médicas e mapeamento geológico de subsuperfície. No entanto, as ferramentas de fabricação tradicionais, como a litografia, têm sido limitadas a nanoestruturas 1-D e 2-D, como fios supercondutores e filmes finos.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), da Universidade de Columbia e da Universidade Bar-Ilan em Israel desenvolveram uma plataforma para fazer nanoarquiteturas supercondutoras 3-D com uma organização prescrita. Conforme relatado na edição de 10 de novembro da Nature Communications, esta plataforma é baseada na automontagem do DNA em formas 3-D desejadas em nanoescala. Na automontagem do DNA, uma única longa fita de DNA é dobrada por fitas complementares "básicas" mais curtas em locais específicos - semelhante ao origami, a arte japonesa de dobrar papel.

"Devido à sua programabilidade estrutural, o DNA pode fornecer uma plataforma de montagem para a construção de nanoestruturas projetadas", disse o co-autor Oleg Gang, líder do Soft and Bio Nanomaterials Group do Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) e professor de química engenharia e de física aplicada e ciência dos materiais na Columbia Engineering. "No entanto, a fragilidade do DNA faz com que pareça inadequado para a fabricação de dispositivos funcionais e nanofabricação que requerem materiais inorgânicos. Neste estudo, mostramos como o DNA pode servir como um andaime para a construção de arquiteturas 3-D em nanoescala que podem ser totalmente" convertidas "em materiais inorgânicos como supercondutores. "

"Demonstramos um caminho para como organizações complexas de DNA podem ser usadas para criar materiais supercondutores 3-D altamente nanoestruturados", disse Gang. "Este caminho de conversão de material nos dá a capacidade de fazer uma variedade de sistemas com propriedades interessantes - não apenas supercondutividade, mas também outras propriedades eletrônicas, mecânicas, ópticas e catalíticas. Podemos imaginá-lo como uma" litografia molecular ", onde o poder de A programabilidade do DNA é transferida para a nanofabricação inorgânica 3-D. "


Para fazer o andaime, os cientistas da Brookhaven e da Columbia Engineering primeiro projetaram "estruturas" de origami de DNA em formato octaédrico. Aaron Michelson, aluno de pós-graduação de Gang , aplicou uma estratégia programável de DNA para que esses quadros se montassem nas redes desejadas. Então, ele usou uma técnica química para revestir as estruturas de DNA com dióxido de silício(sílica), solidificando as construções originalmente moles, que exigiam um meio líquido para preservar sua estrutura. A equipe adaptou o processo de fabricação para que as estruturas fossem fiéis ao seu projeto, conforme confirmado por imagens na Instalação de Microscopia Eletrônica CFN e espalhamento de raios-X de baixo ângulo na linha de luz de Espalhamento de Materiais Complexos da Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II ) Esses experimentos demonstraram que a integridade estrutural foi preservada depois de revestir as redes de DNA.
 
"Em sua forma original, o DNA é completamente inutilizável para processamento com métodos convencionais de nanotecnologia", disse Gang. "Mas, uma vez que revestimos o DNA com sílica, temos uma arquitetura 3-D mecanicamente robusta na qual podemos depositar materiais inorgânicos usando esses métodos. Isso é análogo à nanofabricação tradicional, em que materiais valiosos são depositados em substratos planos, normalmente silício, para adicionar funcionalidade. "

A equipe enviou as estruturas de DNA revestidas de sílica do CFN para o Instituto de Supercondutividade de Bar-Ilan, que é chefiado por Yosi Yeshurun. Gang e Yeshurun ​​se conheceram há alguns anos, quando Gang deu um seminário sobre sua pesquisa de montagem de DNA. Yeshurun ​​- que na última década estudou as propriedades da supercondutividade em nanoescala - pensou que a abordagem baseada no DNA de Gang poderia fornecer uma solução para um problema que ele estava tentando resolver: como podemos fabricar estruturas supercondutoras em nanoescala em três dimensões?

"Anteriormente, fazer nanosupercondutores 3-D envolvia um processo muito elaborado e difícil usando técnicas convencionais de fabricação", disse Yeshurun, co-autor correspondente. "Aqui, encontramos uma maneira relativamente simples de usar as estruturas de DNA de Oleg."

No Instituto de Supercondutividade, o estudante graduado de Yeshurun, Lior Shani, evaporou um supercondutor de baixa temperatura (nióbio) em um chip de silício contendo uma pequena amostra das redes. A taxa de evaporação e a temperatura do substrato de silício tiveram que ser cuidadosamente controladas para que o nióbio revestisse a amostra, mas não penetrasse totalmente. Se isso acontecer, pode ocorrer um curto entre os eletrodos usados ​​para as medições de transporte eletrônico.

“Cortamos um canal especial no substrato para garantir que a corrente só passe pela própria amostra”, explicou Yeshurun.

As medições revelaram um arranjo 3-D de junções Josephson, ou barreiras não supercondutoras através das quais túneis de corrente supercondutora. Matrizes de junções Josephson são fundamentais para alavancar fenômenos quânticos em tecnologias práticas, como dispositivos de interferência quântica supercondutores para detecção de campo magnético. Em 3-D, mais junções podem ser compactadas em um pequeno volume, aumentando a potência do dispositivo.

"Origami de DNA vem produzindo belas e ornamentadas estruturas em nanoescala 3-D por quase 15 anos, mas o próprio DNA não é necessariamente um material funcional útil", disse Evan Runnerstrom, gerente de programa de design de materiais do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA. Laboratório do Escritório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos, que financiou parcialmente o trabalho. "O que o Prof. Gang mostrou aqui é que você pode aproveitar o origami de DNA como um modelo para criar nanoestruturas 3-D úteis de materiais funcionais, como nióbio supercondutor. Essa capacidade de projetar e fabricar arbitrariamente materiais complexos funcionais estruturados em 3-D a partir do de baixo para cima acelerará os esforços de modernização do Exército em áreas como sensoriamento, óptica e computação quântica. "

"Demonstramos um caminho para como organizações complexas de DNA podem ser usadas para criar materiais supercondutores 3-D altamente nanoestruturados", disse Gang. "Este caminho de conversão de material nos dá a capacidade de fazer uma variedade de sistemas com propriedades interessantes - não apenas supercondutividade, mas também outras propriedades eletrônicas, mecânicas, ópticas e catalíticas. Podemos imaginá-lo como uma" litografia molecular ", onde o poder de A programabilidade do DNA é transferida para a nanofabricação inorgânica 3-D. "

 

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