Автор AZoNano 11 ноября 2020 г.

Трехмерные (3-D) наноструктурированные материалы – материалы сложной формы в масштабе миллиардных долей метра – которые могут проводить электричество без сопротивления, могут быть использованы в ряде квантовых устройств.

Например, такие трехмерные сверхпроводящие наноструктуры могут найти применение в усилителях сигналов для повышения скорости и точности квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков магнитного поля для медицинской визуализации и картирования геологической среды. Однако традиционные инструменты производства, такие как литография, были ограничены одномерными и двумерными наноструктурами, такими как сверхпроводящие провода и тонкие пленки.

Теперь ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), Колумбийского университета и Университета Бар-Илан в Израиле разработали платформу для создания трехмерных сверхпроводящих наноархитектур с заданной организацией. Как сообщалось в выпуске Nature Communications от 10 ноября, эта платформа основана на самосборке ДНК в желаемые трехмерные формы на наноуровне. При самосборке ДНК одна длинная нить ДНК складывается более короткими дополнительными «скобками» в определенных местах – подобно оригами, японскому искусству складывания бумаги.

«Благодаря структурной программируемости ДНК может обеспечить сборочную платформу для создания спроектированных наноструктур», – сказал соавтор-корреспондент Олег Ганг, руководитель группы мягких и биологических наноматериалов в Центре функциональных Наноматериалы (CFN) и профессор химической инженерии, прикладной физики и материаловедения в Columbia Engineering. «Однако хрупкость ДНК делает ее непригодной для изготовления функциональных устройств и нанопроизводства, требующего неорганических материалов. В этом исследовании мы показали, как ДНК может служить каркасом для построения трехмерных наноразмерных архитектур, которые могут быть полностью» преобразованы «в неорганические материалы, такие как сверхпроводники».

Чтобы сделать каркас, ученые из Брукхейвена и Колумбийского инженерного бюро впервые разработали октаэдрические «рамки» ДНК-оригами. Аарон Майкельсон, аспирант Банды, применил стратегию, программируемую ДНК, так, чтобы эти фреймы собирались в желаемые решетки. Затем он применил химическую технику, чтобы покрыть решетки ДНК диоксидом кремния (кремнезем), укрепив изначально мягкие конструкции, которым для сохранения структуры требовалась жидкая среда. Команда адаптировала процесс изготовления таким образом, чтобы структуры соответствовали их дизайну, что подтверждено изображениями на установке электронной микроскопии CFN и малоугловым рентгеновским рассеянием на линии пучка комплексного рассеяния материалов Национального синхротронного источника света Брукхейвена II (NSLS-II). ). Эти эксперименты продемонстрировали, что структурная целостность сохранилась после того, как они покрыли решетки ДНК.

«В своей первоначальной форме ДНК совершенно непригодна для обработки обычными методами нанотехнологии», – сказал Ганг. « Но как только мы покрываем ДНК диоксидом кремния, у нас появляется механически прочная трехмерная архитектура, на которую мы можем наносить неорганические материалы, используя эти методы. Это аналогично традиционному нанопроизводству, при котором ценные материалы наносятся на плоские подложки, обычно кремний, чтобы добавить функциональности. "

Группа отправила покрытые диоксидом кремния решетки ДНК из CFN в Институт сверхпроводимости Бар-Илана, который возглавляет Йоси Йешурун. Ганг и Йешурун познакомились пару лет назад, когда Ганг провел семинар по его исследованиям сборки ДНК. Йешурун, который в течение последнего десятилетия изучал свойства сверхпроводимости в наномасштабе, думал, что подход Ганга, основанный на ДНК, может обеспечить решение проблемы, которую он пытался решить: как мы можем изготовить сверхпроводящие наноразмерные структуры в трех измерениях. –

«Раньше создание трехмерных наносверхпроводников представляло собой очень сложный и сложный процесс с использованием обычных технологий изготовления», – сказал соавтор-корреспондент Йешурун. «Здесь мы нашли относительно простой способ, используя структуры ДНК Олега».

В Институте сверхпроводимости аспирант Йешуруна Лиор Шани испарил низкотемпературный сверхпроводник (ниобий) на кремниевый чип, содержащий небольшой образец решеток. Скорость испарения и температуру кремниевой подложки необходимо было тщательно контролировать, чтобы ниобий покрыл образец, но не проникал насквозь. Если это произойдет, может произойти короткое замыкание между электродами, используемыми для электронных транспортных измерений.

«Мы прорезали специальный канал в подложке, чтобы ток проходил только через сам образец», объяснил Йешурун.

Измерения выявили трехмерный массив джозефсоновских переходов, или тонких несверхпроводящих барьеров, через которые проходит сверхпроводящий ток. Массивы джозефсоновских контактов являются ключом к использованию квантовых явлений в практических технологиях, таких как сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства для измерения магнитного поля. В 3-D больше переходов можно упаковать в небольшой объем, увеличивая мощность устройства.

«ДНК-оригами создавало красивые и изысканные трехмерные наноразмерные структуры в течение почти 15 лет, но сама ДНК не обязательно является полезным функциональным материалом», – сказал Эван Раннерстром, руководитель программы по дизайну материалов в компании Исследовательская лаборатория армии США по развитию боевых возможностей Научно-исследовательского управления армии США, которая частично финансировала работу. «Профессор Ганг показал здесь то, что вы можете использовать ДНК-оригами в качестве шаблона для создания полезных трехмерных наноструктур из функциональных материалов, таких как сверхпроводящий ниобий. Эта способность произвольно проектировать и создавать сложные функциональные трехмерные структуры. материалы, идущие снизу вверх, ускорят модернизацию армии в таких областях, как зондирование, оптика и квантовые вычисления ».

«Мы продемонстрировали путь, по которому сложные организации ДНК могут быть использованы для создания высоконаноструктурированных трехмерных сверхпроводящих материалов, », – сказал Ганг. «Этот путь преобразования материала дает нам возможность создавать множество систем с интересными свойствами – не только сверхпроводимостью, но и другими электронными, механическими, оптическими и каталитическими свойствами. Мы можем представить его как« молекулярную литографию », в которой мощность программируемости ДНК переносится в трехмерное неорганическое нанопроизводство ».

Это исследование было поддержано Управлением армейских исследований Министерства обороны США; Управление науки Министерства энергетики США; Министерство науки и технологий Израиля; и Израильский научный фонд. И CFN, и NSLS-II являются объектами для пользователей Управления науки Министерства энергетики США. Некоторые исследования с использованием изображений проводились в отделении визуализации Центра перспективных научных исследований Городского университета Нью-Йорка

Источник: http://www.bnl.gov/