La natura ha ispirato generazioni di persone, offrendo una pletora di materiali diversi per le innovazioni. Uno di questi materiali è la molecola del patrimonio, o DNA, grazie alle sue proprietà autoassemblanti uniche. I ricercatori del Nanoscience Center (NSC) dell'Università di Jyväskylä e del BioMediTech (BMT) dell'Università di Tampere hanno ora dimostrato un metodo per fabbricare dispositivi elettronici utilizzando il DNA. Il DNA stesso non ha parte nella funzione elettrica, ma funge da impalcatura per formare un lineare, nanostruttura simile a una collana di perle costituita da tre nanoparticelle d'oro.

La natura della conduzione elettrica nei materiali su scala nanometrica può differire notevolmente da quella normale, strutture metalliche su macroscala, che hanno innumerevoli elettroni liberi che formano la corrente, rendendo così trascurabile qualsiasi effetto di un singolo elettrone. Però, anche l'aggiunta di un singolo elettrone in un pezzo di metallo su scala nanometrica può aumentare la sua energia abbastanza da prevenire la conduzione. Questo tipo di aggiunta di elettroni di solito avviene tramite un effetto quantomeccanico chiamato tunneling, dove gli elettroni attraversano una barriera energetica. In questo studio, gli elettroni incanalati dall'elettrodo collegato a una sorgente di tensione, alla prima nanoparticella e poi alla particella successiva e così via, attraverso gli spazi tra di loro.

"Tali dispositivi a elettrone singolo sono stati fabbricati su scala di decine di nanometri utilizzando metodi convenzionali di micro e nanofabbricazione per più di due decenni, " afferma il Senior Lecturer Jussi Toppari del NSC. Toppari ha studiato queste strutture già nel suo lavoro di dottorato.

"La debolezza di queste strutture sono state le temperature criogeniche necessarie per il loro funzionamento. Di solito, la temperatura di funzionamento di questi dispositivi aumenta al diminuire delle dimensioni dei componenti. Il nostro obiettivo finale è far funzionare i dispositivi a temperatura ambiente, che è difficilmente possibile per i metodi di nanofabbricazione convenzionali, quindi è necessario trovare nuove sedi".

La moderna nanotecnologia fornisce strumenti per fabbricare nanoparticelle metalliche con dimensioni di pochi nanometri. I dispositivi a elettrone singolo fabbricati da queste nanoparticelle metalliche potrebbero funzionare fino a temperatura ambiente. L'NSC ha una lunga esperienza nella fabbricazione di tali nanoparticelle.

"Dopo la fabbricazione, le nanoparticelle galleggiano in una soluzione acquosa e devono essere organizzate nella forma desiderata e collegate ai circuiti ausiliari, " spiega il ricercatore Kosti Tapio. "L'autoassemblaggio basato sul DNA, insieme alla sua capacità di essere collegato con le nanoparticelle, offre un kit di strumenti molto adatto a questo scopo".

Le nanoparticelle d'oro sono attaccate direttamente all'interno della soluzione acquosa su una struttura di DNA progettata e precedentemente testata dai gruppi coinvolti. L'intero processo si basa sull'autoassemblaggio del DNA, e produce innumerevoli strutture all'interno di una singola patch. Le strutture pronte vengono ulteriormente intrappolate per le misurazioni da campi elettrici.

"Le superiori proprietà di autoassemblaggio del DNA, insieme alle sue mature tecniche di fabbricazione e modifica, offrono una vasta gamma di possibilità, ", afferma il Professore Associato Vesa Hytönen.

Le misurazioni elettriche effettuate in questo studio hanno dimostrato per la prima volta che questi metodi di fabbricazione scalabili basati sull'autoassemblaggio del DNA possono essere utilizzati in modo efficiente per fabbricare dispositivi a singolo elettrone che funzionano a temperatura ambiente.

La ricerca si basa su una collaborazione multidisciplinare a lungo termine tra i gruppi di ricerca coinvolti. Oltre alle persone di cui sopra, Dott.ssa Jenni Leppiniemi (BMT), Boxuan Shen (NSC), e il dottor Wolfgang Fritzsche (IPHT, Jena, Germania) ha contribuito alla ricerca. Lo studio è stato pubblicato il 13 ottobre 2016 in Nano lettere . Il finanziamento di viaggio collaborativo è stato ottenuto da DAAD in Germania.