Materiais nanoestruturados tridimensionais (3-D) - aqueles com formas complexas em uma escala de tamanho de bilionanãsimos de um metro - que podem conduzir eletricidade sem resistência poderiam ser usados ​​em uma variedade de dispositivos qua¢nticos. Por exemplo, tais nanoestruturas supercondutoras 3-D poderiam encontrar aplicação em amplificadores de sinal para aumentar a velocidade e precisão de computadores qua¢nticos e sensores de campo magnético ultrassensa­vel para imagens médicas e mapeamento geola³gico de subsuperfa­cie. No entanto, as ferramentas de fabricação tradicionais, como a litografia, tem sido limitadas a nanoestruturas 1-D e 2-D, como fios supercondutores e filmes finos.

Agora, cientistas do Laborata³rio 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 ébaseada na automontagem do DNA em formas 3-D desejadas em nanoescala. Na automontagem do DNA, uma única longa fita de DNA édobrada por fitas complementares "ba¡sicas" mais curtas em locais específicos - semelhante ao origami, a arte japonesa de dobrar papel.

"Devido a  sua programabilidade estrutural, o DNA pode fornecer uma plataforma de montagem para a construção de nanoestruturas projetadas", disse o co-autor Oleg Gang, lider 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 parea§a inadequado para a fabricação de dispositivos funcionais e nanofabricação que requerem materiais inorga¢nicos. 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 inorga¢nicos como supercondutores. "

Para fazer o andaime, os cientistas da Brookhaven e da Columbia Engineering primeiro projetaram "estruturas" de origami de DNA em formato octaanãdrico. Aaron Michelson, aluno de pós-graduação de Gang , aplicou uma estratanãgia programa¡vel de DNA para que esses quadros se montassem nas redes desejadas. Então, ele usou uma técnica química para revestir as estruturas de DNA com dia³xido de sila­cio(sa­lica), solidificando as construções originalmente moles, que exigiam um meio la­quido para preservar sua estrutura. A equipe adaptou o processo de fabricação para que as estruturas fossem fianãis ao seu projeto, conforme confirmado por imagens na Instalação de Microscopia Eletra´nica CFN e espalhamento de raios-X de baixo a¢ngulo na linha de luz de Espalhamento de Materiais Complexos da Fonte de Luz Sa­ncrotron 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 écompletamente inutiliza¡vel para processamento com manãtodos convencionais de nanotecnologia", disse Gang. "Mas, uma vez que revestimos o DNA com sa­lica, temos uma arquitetura 3-D mecanicamente robusta na qual podemos depositar materiais inorga¢nicos usando esses manãtodos. Isso éana¡logo a  nanofabricação tradicional, em que materiais valiosos são depositados em substratos planos, normalmente sila­cio, para adicionar funcionalidade. "

A equipe enviou as estruturas de DNA revestidas de sa­lica do CFN para o Instituto de Supercondutividade de Bar-Ilan, que échefiado por Yosi Yeshurun. Gang e Yeshurun ​​se conheceram hálguns anos, quando Gang deu um semina¡rio 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 trêsDimensões ?

"Anteriormente, fazer nanosupercondutores 3-D envolvia um processo muito elaborado e difa­cil 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 (nia³bio) em um chip de sila­cio contendo uma pequena amostra das redes. A taxa de evaporação e a temperatura do substrato de sila­cio tiveram que ser cuidadosamente controladas para que o nia³bio revestisse a amostra, mas não penetrasse totalmente. Se isso acontecer, pode ocorrer um curto entre os eletrodos usados ​​para as medições de transporte eletra´nico.

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

As medições revelaram um arranjo 3-D de junções Josephson, ou barreiras não supercondutoras atravanãs das quais taºneis de corrente supercondutora. Matrizes de junções Josephson são fundamentais para alavancar fena´menos qua¢nticos em tecnologias prática s, como dispositivos de interferaªncia qua¢ntica supercondutores para detecção de campo magnanãtico. Em 3-D, mais junções podem ser compactadas em um pequeno volume, aumentando a potaªncia do dispositivo.

"Origami de DNA vem produzindo belas e ornamentadas estruturas em nanoescala 3-D por quase 15 anos, mas o pra³prio DNA não énecessariamente um material funcional útil", disse Evan Runnerstrom, gerente de programa de design de materiais do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exanãrcito dos EUA. Laborata³rio do Escrita³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos Estados Unidos, que financiou parcialmente o trabalho. "O que o Prof. Gang mostrou aqui éque vocêpode aproveitar o origami de DNA como um modelo para criar nanoestruturas 3-D aºteis de materiais funcionais, como nia³bio supercondutor. Essa capacidade de projetar e fabricar arbitrariamente materiais complexos funcionais estruturados em 3-D a partir do de baixo para cima acelerara¡ os esforços de modernização do Exanãrcito em áreas como sensoriamento, a³ptica e computação qua¢ntica. "

"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 da¡ a capacidade de fazer uma variedade de sistemas com propriedades interessantes - não apenas supercondutividade, mas também outras propriedades eletra´nicas, meca¢nicas, a³pticas e catala­ticas. Podemos imagina¡-lo como uma" litografia molecular ", onde o poder de A programabilidade do DNA étransferida para a nanofabricação inorga¢nica 3-D. "