Pesquisadores da Columbia Engineering, trabalhando com o Brookhaven National Laboratory, relatam hoje que construa­ram materiais 3D projetados com base em nanoparta­culas que podem suportar va¡cuo, altas temperaturas, alta pressão e alta radiação. Este novo processo de fabricação resulta em estruturas em nanoescala robustas e totalmente projetadas que não são podem acomodar uma variedade de tipos de nanoparta­culas funcionais, mas também podem ser rapidamente processadas com manãtodos convencionais de nanofabricação.

"Esses materiais a  base de nanoparta­culas automontadas são tão resistentes que poderiam voar no Espaço", diz Oleg Gang, professor de engenharia química e de física aplicada e ciência dos materiais , que liderou o estudo publicado hoje pela Science Advances . "Fomos capazes de fazer a transição das arquiteturas de nanoparta­culas de DNA 3D do estado la­quido - e de um material flexa­vel - para o estado sãolido , onde a sa­lica reforça os suportes de DNA. Este novo material mantanãm totalmente sua arquitetura original da estrutura de nanoparta­culas de DNA, essencialmente criando uma ranãplica inorga¢nica 3D. Isso nos permitiu explorar - pela primeira vez - como esses nanomateriais podem lutar contra condições adversas, como se formam e quais são suas propriedades. "

As propriedades dos materiais são diferentes em nanoescala e os pesquisadores hámuito tempo exploram como usar esses materiais minaºsculos - 1.000 a 10.000 vezes menores que a espessura de um cabelo humano - em todos os tipos de aplicações, desde a fabricação de sensores para telefones atéa construção de chips mais rápidos para laptops . As técnicas de fabricação, no entanto, tem sido desafiadoras na realização de nanoarquitetura 3D. A nanotecnologia de DNA permite a criação de materiais organizados de forma complexa a partir de nanoparta­culas por meio de automontagem, mas dada a natureza suave e dependente do ambiente do DNA, tais materiais podem ser esta¡veis ​​apenas sob uma estreita faixa de condições. Em contraste, os materiais recanãm-formados agora podem ser usados ​​em uma ampla gama de aplicações onde essas estruturas projetadas são necessa¡rias. Enquanto a nanofabricação convencional se destaca na criação de estruturas planas, o novo manãtodo de Gang permite a fabricação de nanomateriais 3D que estãose tornando essenciais para muitas aplicações eletra´nicas, a³pticas e de energia.

Gang, que tem uma nomeação conjunta como lider do grupo Soft and Bio Nanomaterials no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials, estãona vanguarda da nanotecnologia de DNA, que depende do dobramento da cadeia de DNA em nanoestruturas bi e tridimensionais desejadas. Essas nanoestruturas tornam-se blocos de construção que podem ser programados por meio de interações Watson-Crick para se automontar em arquiteturas 3D. Seu grupo projeta e forma essas nanoestruturas de DNA, integra-as com nanoparta­culas e direciona a montagem de materiais baseados em nanopartículas E, agora, com essa nova técnica, a equipe pode fazer a transição desses materiais de macios e fra¡geis para sãolidos e robustos.

 

Este novo estudo demonstra um manãtodo eficiente para converter redes de nanoparta­culas de DNA 3D em ranãplicas de sa­lica, mantendo a topologia das conexões interparta­culas por struts de DNA e a integridade da organização das nanopartículas A sa­lica funciona bem porque ajuda a reter a nanoestrutura da estrutura do DNA original, forma um elenco robusto do DNA subjacente e não afeta os arranjos das nanopartículas

"O DNA nessas redes assume as propriedades da sa­lica", diz Aaron Michelson, um Ph.D. aluno do grupo de Gang. "Torna-se esta¡vel ao ar e pode ser seco e permite a análise em nanoescala 3D do material pela primeira vez no espaço real. Além disso, a sa­lica fornece resistência e estabilidade química, éde baixo custo e pode ser modificada conforme necessa¡rio - émuito material conveniente. "

Para aprender mais sobre as propriedades de suas nanoestruturas, a equipe expa´s as redes de nanoparta­culas de DNA convertidas em sa­lica a condições extremas: altas temperaturas acima de 1.0000C e altas tensaµes meca¢nicas acima de 8GPa (cerca de 80.000 vezes mais que a pressão atmosfanãrica, ou 80 vezes mais do que no lugar mais profundo do oceano, a trincheira de Mariana), e estudou esses processos in-situ. Para avaliar a viabilidade das estruturas para aplicações e etapas posteriores de processamento, os pesquisadores também as expuseram a altas doses de radiação e feixes de a­ons focalizados.

"Nossa análise da aplicabilidade dessas estruturas para se acoplar a s técnicas tradicionais de nanofabricação demonstra uma plataforma verdadeiramente robusta para gerar nanomateriais resilientes por meio de abordagens baseadas em DNA para descobrir suas novas propriedades", observa Gang. "Este éum grande passo a  frente, pois essas propriedades especa­ficas significam que podemos usar nosso conjunto de nanomateriais 3D e ainda acessar toda a gama de etapas de processamento de materiais convencionais. Essa integração de manãtodos de nanofabricação novos e convencionais énecessa¡ria para alcana§ar avanços em meca¢nica, eletra´nica , plasma´nica, fota´nica, supercondutividade e materiais de energia. "

Colaborações baseadas no trabalho de Gang já levaram a uma nova supercondutividade e conversão da sa­lica em meio condutor e semicondutor para processamento posterior. Estes incluem um estudo anterior publicado pela Nature Communications e um publicado recentemente pela Nano Letters . Os pesquisadores também planejam modificar a estrutura para fazer uma ampla gama de materiais com propriedades meca¢nicas e a³pticas altamente desejáveis.

“Os computadores são feitos com sila­cio hámais de 40 anos”, acrescenta Gang. "Demorou quatro décadas para reduzir a fabricação para cerca de 10 nm para estruturas planas e dispositivos. Agora podemos fazer e montar nanoobjetos em um tubo de ensaio em algumas horas sem ferramentas caras. Oito bilhaµes de conexões em uma única rede agora podem ser orquestrada para se automontar por meio de processos em nanoescala que podemos projetar. Cada conexão pode ser um transistor, um sensor ou um emissor a³ptico - cada um pode ser um pouco de dados armazenados. Enquanto a lei de Moore estãodiminuindo, a programabilidade das abordagens de montagem de DNA éla¡ para nos levar adiante na solução de problemas em novos materiais e nanofabricação. Embora isso tenha sido extremamente desafiador para os manãtodos atuais, éextremamente importante para as tecnologias emergentes. "