La nanoscienza ha il potenziale per svolgere un ruolo enorme nel migliorare una gamma di prodotti, compresi i sensori, fotovoltaico ed elettronica di consumo. Gli scienziati in questo campo hanno creato una moltitudine di materiali su scala nanometrica, come nanocristalli metallici, nanotubi di carbonio e nanofili semiconduttori. Però, nonostante il loro fascino, è rimasta una sfida stupefacente progettare l'orientamento e il posizionamento di questi materiali nelle architetture dei dispositivi desiderate che siano riproducibili con rese elevate e costi contenuti, fino ad ora.

Jen Cha, un professore di nanoingegneria dell'Università di San Diego, e il suo team di ricercatori, hanno scoperto che un modo per colmare questa lacuna è usare biomolecole, come DNA e proteine. I dettagli di questa scoperta sono stati recentemente pubblicati in un articolo intitolato "Large Area Spatially Ordered Arrays of Gold Nanoparticles Directed by Lithographically Confined DNA Origami, " in Nanotecnologia della natura .

"Le strutture autoassemblate sono spesso troppo piccole e i modelli litografici accessibili sono troppo grandi, " ha detto Albert Hung, autore principale del documento Nature Nanotechnology e un post doc che lavora nel laboratorio di Cha. "Ma le nanostrutture di DNA sintetico progettate razionalmente ci consentono di accedere a scale di lunghezza comprese tra 5 e 100 nanometri e collegare i due sistemi.

"Le persone hanno creato un'enorme varietà di nanostrutture uniche e funzionali, ma per alcune applicazioni previste sono inutili a meno che non si possano posizionare singole strutture, miliardi o trilioni di loro allo stesso tempo, in luoghi precisi, " Ha aggiunto Hung. "Speriamo che la nostra ricerca ci avvicini di un passo alla risoluzione di questo problema molto difficile".

Hung ha affermato che il metodo scoperto di recente potrebbe essere utile per fabbricare circuiti elettronici o ottici su nanoscala e sensori multiplex.

"Un certo numero di gruppi ha già lavorato su parti di questo problema di ricerca, ma a nostra conoscenza, siamo i primi a tentare di affrontare così tante parti insieme nel loro insieme, " Egli ha detto.

Una delle principali applicazioni di questa ricerca a cui Cha e il suo gruppo sono interessati è per il rilevamento. "Attualmente non esiste un percorso prevedibile per essere in grado di costruire una serie complessa di diversi elementi di rilevamento su nanoscala, " disse Cha, un ex ricercatore IBM che si è unito alla facoltà di ingegneria della UCSD Jacobs School nel 2008. "Il nostro lavoro è uno dei primi chiari esempi di come è possibile unire la litografia dall'alto verso il basso con l'autoassemblaggio dal basso verso l'alto per costruire un tale array. avere un substrato modellato dalla litografia convenzionale, e poi devi prendere quel modello e unirlo con qualcosa che possa dirigere l'assemblaggio di oggetti ancora più piccoli, come quelli aventi dimensioni comprese tra 2 e 20 nanometri. Hai bisogno di un modello intermedio, che è l'origami del DNA, che ha la capacità di legarsi a qualcos'altro molto più piccolo e dirigere il loro assemblaggio nella configurazione desiderata. Ciò significa che possiamo potenzialmente costruire transistor da nanotubi di carbonio e possibilmente anche utilizzare nanostrutture per rilevare determinate proteine ​​nelle soluzioni. Gli scienziati hanno parlato di modellare diversi insiemi di proteine ​​su un substrato e ora abbiamo la capacità di farlo".

Cha ha detto che il prossimo passo sarebbe quello di sviluppare effettivamente un dispositivo basato su questo metodo di ricerca.

"Sono molto interessato alle applicazioni di questa ricerca e stiamo lavorando per arrivarci, " lei disse.

Negli ultimi 6 anni, La ricerca di Cha si è concentrata sull'uso della biologia per progettare l'assemblaggio di materiali su scala nanometrica per applicazioni in medicina, elettronica ed energia. Uno dei limiti della nanoscienza è che non consente la produzione di massa di prodotti, ma il lavoro di Cha si concentra sul tentativo di capire come farlo e farlo a buon mercato. Gran parte del suo lavoro recente si è concentrato sull'utilizzo del DNA per costruire strutture 2D.

"L'utilizzo del DNA per assemblare i materiali è un'area di cui molte persone sono entusiaste, " Cha ha detto. "Puoi piegare il DNA in qualsiasi cosa tu voglia - per esempio, puoi costruire una grande impalcatura e al suo interno potresti assemblare oggetti molto piccoli come nanoparticelle, nano fili o proteine.

"Gli ingegneri devono comprendere le forze fisiche necessarie per costruire array funzionali da materiali funzionali, " ha aggiunto. "Il mio lavoro come nanoingegnere è capire cosa devi fare per mettere insieme tutte le diverse parti, se si tratta di un veicolo per la consegna di farmaci, applicazioni fotovoltaiche, sensori o transistor. Dobbiamo pensare a come prendere tutti i nanomateriali e ingegnerizzarli in qualcosa che le persone possano usare e tenere".