La struttura unica del DNA è ideale per trasportare informazioni genetiche, ma gli scienziati hanno recentemente trovato il modo di sfruttare questa versatile molecola per altri scopi:controllando le sequenze di DNA, possono manipolare la molecola per formare molte diverse forme su nanoscala.

Gli ingegneri chimici e molecolari del MIT e dell'Università di Harvard hanno ora ampliato questo approccio utilizzando il DNA piegato per controllare la nanostruttura dei materiali inorganici. Dopo aver costruito nanostrutture di DNA di varie forme, hanno usato le molecole come modelli per creare modelli su scala nanometrica su fogli di grafene. Questo potrebbe essere un passo importante verso la produzione su larga scala di chip elettronici in grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo con proprietà elettroniche uniche.

"Questo ci fornisce uno strumento chimico per programmare forme e modelli su scala nanometrica, formare circuiti elettronici, Per esempio, "dice Michele Strano, un professore di ingegneria chimica al MIT e un autore senior di un articolo che descrive la tecnica nel numero del 9 aprile di Comunicazioni sulla natura .

Peng Yin, un assistente professore di biologia dei sistemi presso la Harvard Medical School e membro del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard, è anche un autore senior del documento, e il postdoc del MIT Zhong Jin è l'autore principale. Altri autori sono i postdoc di Harvard Wei Sun e Yonggang Ke, Gli studenti laureati del MIT Chih-Jen Shih e Geraldine Paulus, e i postdoc del MIT Qing Hua Wang e Bin Mu.

La maggior parte di queste nanostrutture di DNA sono realizzate utilizzando un nuovo approccio sviluppato nel laboratorio di Yin. Le nanostrutture di DNA complesse con forme prescritte con precisione sono costruite utilizzando brevi filamenti di DNA sintetici chiamati piastrelle a filamento singolo. Ognuna di queste tessere agisce come un mattone giocattolo ad incastro e si lega a quattro vicini designati.

Utilizzando queste piastrelle a filamento singolo, Il laboratorio di Yin ha creato più di 100 forme distinte in nanoscala, compreso l'intero alfabeto delle lettere maiuscole inglesi e molte emoticon. Queste strutture sono progettate utilizzando un software per computer e possono essere assemblate in una semplice reazione. In alternativa, tali strutture possono essere costruite utilizzando un approccio chiamato DNA origami, in cui molti brevi filamenti di DNA piegano un lungo filamento nella forma desiderata.

Però, Il DNA tende a degradarsi se esposto alla luce solare o all'ossigeno, e può reagire con altre molecole, quindi non è l'ideale come materiale da costruzione a lungo termine. "Vorremmo sfruttare le proprietà di nanomateriali più stabili per applicazioni strutturali o elettroniche, "dice Strano.

Anziché, lui e i suoi colleghi hanno trasferito le precise informazioni strutturali codificate nel DNA in un grafene più robusto. Il processo chimico coinvolto è abbastanza semplice, Strano dice:Primo, il DNA è ancorato su una superficie di grafene utilizzando una molecola chiamata aminopirina, che è simile nella struttura al grafene. Il DNA viene quindi rivestito con piccoli grappoli d'argento lungo la superficie, che consente di depositare un successivo strato d'oro sopra l'argento.

Una volta che la molecola è rivestita d'oro, il DNA metallizzato stabile può essere utilizzato come maschera per un processo chiamato litografia al plasma. plasma di ossigeno, un "flusso di gas" molto reattivo di molecole ionizzate, è usato per portare via qualsiasi grafene non protetto, lasciando dietro di sé una struttura di grafene identica alla forma originale del DNA. Il DNA metallizzato viene quindi lavato via con cianuro di sodio.

Plasmare i circuiti in grafene

Il team di ricerca ha utilizzato questa tecnica per creare diversi tipi di forme, comprese le giunzioni X e Y, così come anelli e nastri. Hanno scoperto che sebbene la maggior parte delle informazioni strutturali sia conservata, alcune informazioni vengono perse quando il DNA è rivestito di metallo, quindi la tecnica non è ancora così precisa come un'altra tecnica chiamata litografia e-beam.

Però, litografia a fascio elettronico, che utilizza fasci di elettroni per scolpire forme nel grafene, è costoso e richiede molto tempo, quindi sarebbe molto difficile scalarlo per produrre in serie componenti elettrici o di altro tipo fatti di grafene.

Una forma di particolare interesse per gli scienziati è un nastro di grafene, che è una striscia molto stretta di grafene che confina gli elettroni del materiale, conferendogli nuove proprietà. Il grafene normalmente non ha un bandgap, una proprietà necessaria affinché qualsiasi materiale agisca come un tipico transistor. Però, i nastri di grafene hanno una banda proibita, quindi potrebbero essere utilizzati come componenti di circuiti elettronici.

"C'è ancora interesse nell'uso del grafene per l'elettronica digitale. Il grafene in sé non è l'ideale per questo, ma se lo modelli in nastri, potrebbe essere possibile, "dice Strano.

Gli scienziati sono anche interessati agli anelli di grafene perché possono essere usati come transistor di interferenza quantistica, un nuovo tipo di transistor creato quando gli elettroni scorrono attorno a un cerchio. Questo tipo di comportamento è stato osservato solo di recente, e questa tecnica di fabbricazione potrebbe consentire agli scienziati di creare molti anelli in modo da poter studiare questo fenomeno in modo più approfondito.

A lungo termine, la strategia di fabbricazione della nanostruttura del DNA potrebbe aiutare i ricercatori a progettare e costruire circuiti elettronici fatti di grafene. Finora è stato difficile perché è difficile posizionare minuscole strutture di carbonio, come nanotubi e nanofili, su un foglio di grafene. Però, l'utilizzo delle maschere di DNA metallizzato per disporre le strutture su un foglio di grafene potrebbe rendere il processo molto più semplice.

Il nuovo approccio è "concettualmente nuovo, "dice Robert Haddon, professore di ingegneria chimica e ambientale presso l'Università della California a Riverside, che non faceva parte del gruppo di ricerca. "Il lavoro mostra il potenziale delle nanoarchitetture di DNA metallizzato autoassemblate come maschere litografiche per la modellazione su scala di wafer di elementi di circuiti elettronici a base di grafene. Credo che questo approccio stimolerà ulteriori ricerche sull'applicazione delle tecniche di nanomodellazione nella nanoelettronica a base di grafene. "

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.