Nel lavoro che un giorno potrebbe portare allo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi elettronici su nanoscala, un team interdisciplinare di ricercatori del California Institute of Technology ha unito il talento del DNA per l'autoassemblaggio con le straordinarie proprietà elettroniche dei nanotubi di carbonio, suggerendo così una soluzione all'annoso problema dell'organizzazione dei nanotubi di carbonio in circuiti elettronici su scala nanometrica.

Un articolo sull'opera è apparso l'8 novembre nella prima edizione online di Nanotecnologia della natura .

"Questo progetto è uno di quei fantastici 'Dove se non al Caltech?' storie, "dice Erik Winfree, professore associato di informatica, sistemi di calcolo e neurali, e bioingegneria al Caltech, e uno dei quattro docenti che supervisionano il progetto.

Sia l'idea iniziale per il progetto che la sua eventuale esecuzione sono venute da tre studenti:Hareem T. Maune, uno studente laureato che studia fisica dei nanotubi di carbonio nel laboratorio di Marc Bockrath (allora assistente professore di fisica applicata al Caltech, ora all'Università della California, lungofiume); Si-ping Han, un teorico della scienza dei materiali che sta studiando le interazioni tra nanotubi di carbonio e DNA nel laboratorio Caltech di William A. Goddard III, Charles e Mary Ferkel Professore di Chimica, Scienza dei materiali, e Fisica Applicata; e Robert D. Barish, uno studente universitario laureato in informatica che stava lavorando sull'autoassemblaggio del DNA complesso nel laboratorio di Winfree.

Il progetto è iniziato nel 2005, poco dopo che Paul W. K. Rothemund inventò la sua rivoluzionaria tecnica di origami del DNA. Al tempo, Rothemund era uno studioso postdottorato nel laboratorio di Winfree; oggi, è un ricercatore associato senior in bioingegneria, informatica, e sistemi di calcolo e neurali.

Il lavoro di Rothemund ha dato a Maune, Han, e Barish l'idea di utilizzare gli origami del DNA per costruire circuiti di nanotubi di carbonio.

L'origami del DNA è un tipo di struttura autoassemblata fatta di DNA che può essere programmata per formare forme e schemi quasi illimitati, come faccine sorridenti o mappe dell'emisfero occidentale o persino schemi elettrici. Sfruttando le proprietà di riconoscimento della sequenza del paring della base del DNA, Gli origami di DNA sono creati da un lungo filamento singolo di DNA virale e una miscela di diversi filamenti di DNA sintetici corti che si legano e "ficcano" il DNA virale nella forma desiderata, tipicamente circa 100 nanometri (nm) su un lato.

I nanotubi di carbonio a parete singola sono tubi molecolari composti da una maglia esagonale arrotolata di atomi di carbonio. Con diametri inferiori a 2 nm e tuttavia con lunghezze di molti micron, hanno la reputazione di essere tra i più forti, più conduttivo al calore, e materiali elettronicamente più interessanti che si conoscano. Per anni, i ricercatori hanno cercato di sfruttare le loro proprietà uniche in dispositivi su nanoscala, ma la loro precisa disposizione in modelli geometrici desiderabili è stato un grosso ostacolo.

"Dopo aver ascoltato il discorso di Paolo, Hareem si è entusiasmato all'idea di mettere i nanotubi sugli origami, " ricorda Winfree. "Nel frattempo, Rob stava parlando con il suo amico Si-Ping, e indipendentemente si erano entusiasmati per la stessa idea."

Alla base dell'entusiasmo degli studenti c'era la speranza che gli origami di DNA potessero essere usati come breadboard molecolari da 100 nm per 100 nm, basi di costruzione per la prototipazione di circuiti elettronici, su cui i ricercatori potessero costruire dispositivi sofisticati semplicemente progettando le sequenze nell'origami in modo che specifici nanotubi potessero allegare in posizioni preassegnate.

"Prima di parlare con questi studenti, "Winfree continua, "Non avevo alcun interesse a lavorare con i nanotubi di carbonio o ad applicare l'esperienza di ingegneria del DNA del nostro laboratorio verso tali fini pratici. Ma, apparentemente dal nulla, una squadra si era autoassemblata con un notevole spettro di competenze e molto entusiasmo. Anche Si-Ping, un consumato teorico, è entrato nel laboratorio per aiutare a trasformare l'idea in realtà."

"Questo progetto di ricerca collaborativa è la prova di come noi di Caltech selezioniamo i migliori studenti in scienze e ingegneria e li collochiamo in un ambiente in cui la loro creatività e immaginazione possono prosperare, "dice Ares Rosakis, presidente della Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate al Caltech e Theodore von Kármán Professore di aeronautica e professore di ingegneria meccanica.

Portare a compimento le idee degli studenti non è stato facile. "La chimica dei nanotubi di carbonio è notoriamente difficile e disordinata:le cose sono interamente in carbonio, Dopotutto, quindi è estremamente difficile far accadere una reazione in un atomo di carbonio scelto e non in tutti gli altri, "Spiega Winfree.

"Questa difficoltà nell'afferrare chimicamente un nanotubo in corrispondenza di un "manico" ben definito è l'essenza del problema quando si cerca di posizionare i nanotubi dove si desidera in modo da poter costruire dispositivi e circuiti complessi, " lui dice.

L'ingegnosa soluzione degli scienziati è stata quella di sfruttare la viscosità del DNA a singolo filamento per creare quelle maniglie mancanti. È questa viscosità che unisce i due filamenti che compongono un'elica del DNA, attraverso l'appaiamento delle basi nucleotidiche del DNA (A, T, C, e G) con quelli che hanno sequenze complementari (A con T, C con G).

"Il DNA è la molecola perfetta per riconoscere altri filamenti di DNA, e al DNA a filamento singolo piace anche attaccarsi ai nanotubi di carbonio, " dice Han. "Così mescoliamo nanotubi nudi con molecole di DNA in acqua salata, e si attaccano su tutta la superficie dei nanotubi. Però, ci assicuriamo che una piccola parte di ogni molecola di DNA sia protetta, in modo che quella piccola porzione non si attacchi al nanotubo, e possiamo invece usarlo per riconoscere il DNA attaccato all'origami del DNA."

Gli scienziati hanno creato due lotti di nanotubi di carbonio etichettati dal DNA con sequenze diverse, che chiamavano "rosso" e "blu".

"Metaforicamente, abbiamo immerso un lotto di nanotubi nella vernice rossa del DNA, e ha immerso un altro lotto di nanotubi nella vernice blu del DNA, " dice Winfree. Sorprendentemente, questa vernice DNA agisce come velcro specifico per colore.

"Queste molecole di DNA sono servite come maniglie perché una coppia di molecole di DNA a filamento singolo con sequenze complementari si avvolgeranno l'una intorno all'altra per formare una doppia elica. Quindi, " lui dice, "il rosso può legarsi fortemente all'antirosso, e blu con anti-blu."

"Di conseguenza, " Aggiunge, "se disegniamo una striscia di DNA antirosso su una superficie, e versarci sopra i nanotubi rivestiti di rosso, i nanotubi si attaccheranno alla linea. Ma i nanotubi rivestiti di blu non si attaccano, perché si attengono solo a una linea anti-blu".

Realizzare circuiti elettronici su scala nanometrica con nanotubi di carbonio richiede la capacità di disegnare strisce di DNA su scala nanometrica. In precedenza, questo sarebbe stato un compito impossibile. L'invenzione di Rothemund dell'origami del DNA, però, reso possibile.

"Un origami di DNA standard è un rettangolo di circa 100 nm di dimensione, con oltre 200 posizioni "pixel" in cui è possibile attaccare filamenti di DNA arbitrari, " dice Winfree. Per integrare i nanotubi di carbonio in questo sistema, gli scienziati hanno colorato di rosso alcuni di quei pixel, e altri anti-blu, contrassegnando efficacemente le posizioni in cui volevano che i nanotubi abbinati al colore si attaccassero. Hanno quindi progettato l'origami in modo che i nanotubi etichettati in rosso si incrociassero perpendicolarmente ai nanotubi blu, facendo quello che è noto come un transistor ad effetto di campo (FET), uno dei dispositivi più basilari per la costruzione di circuiti a semiconduttore.

Sebbene il loro processo sia concettualmente semplice, i ricercatori hanno dovuto risolvere molti nodi, come separare i fasci di nanotubi di carbonio in singole molecole e attaccare il DNA a singolo filamento; trovare la giusta protezione per questi filamenti di DNA in modo che siano rimasti in grado di riconoscere i loro partner sull'origami; e trovare le giuste condizioni chimiche per l'autoassemblaggio.

Dopo circa un anno, il team aveva posizionato con successo nanotubi incrociati sull'origami; sono stati in grado di vedere l'attraversamento tramite microscopia a forza atomica. Questi sistemi sono stati rimossi dalla soluzione e posti su una superficie, dopo di che sono stati collegati i cavi per misurare le proprietà elettriche del dispositivo. Quando il semplice dispositivo del team è stato collegato agli elettrodi, si comportava infatti come un transistor ad effetto di campo. L'"effetto di campo" è utile perché "i due componenti del transistor, il canale e la porta, in realtà non è necessario toccare perché ci sia un effetto di commutazione, " Spiega Rothemund. "Un nanotubo di carbonio può cambiare la conduttività dell'altro a causa solo del campo elettrico che si forma quando gli viene applicata una tensione".

A questo punto, i ricercatori erano fiduciosi di aver creato un metodo in grado di costruire un dispositivo da una miscela di nanotubi e origami.

"Ha funzionato, " Winfree dice. "Non posso dire perfettamente:c'è molto spazio per migliorare. Ma era sufficiente dimostrare la costruzione controllata di un semplice dispositivo, una giunzione incrociata di una coppia di nanotubi di carbonio."

"Ci aspettiamo che il nostro approccio possa essere migliorato ed esteso per costruire in modo affidabile circuiti più complessi che coinvolgono nanotubi di carbonio e forse altri elementi tra cui elettrodi e cablaggi, " Goddard dice, "che prevediamo forniranno nuovi modi per sondare il comportamento e le proprietà di queste straordinarie molecole".

Il vero vantaggio dell'approccio, fa notare, è che l'autoassemblaggio non si limita a creare un dispositivo alla volta. "Questa è una tecnologia scalabile. Cioè, si può progettare l'origami per costruire unità logiche complesse e farlo per migliaia o milioni o miliardi di unità che si autoassemblano in parallelo".

Maggiori informazioni: "Autoassemblaggio di nanotubi di carbonio in geometrie bidimensionali utilizzando modelli di origami di DNA, " Nanotecnologia della natura .

Fonte:California Institute of Technology (notizie:web)