I materiali nanostrutturati tridimensionali (3-D) - quelli con forme complesse su una scala di dimensioni di miliardesimi di metro - che possono condurre elettricità senza resistenza potrebbero essere utilizzati in una gamma di dispositivi quantistici. Per esempio, tali nanostrutture superconduttrici 3D potrebbero trovare applicazione negli amplificatori di segnale per migliorare la velocità e la precisione dei computer quantistici e dei sensori di campo magnetico ultrasensibili per l'imaging medico e la mappatura della geologia del sottosuolo. Però, gli strumenti di fabbricazione tradizionali come la litografia sono stati limitati a nanostrutture 1-D e 2-D come fili superconduttori e film sottili.

Ora, scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Università della Columbia, e l'Università Bar-Ilan in Israele hanno sviluppato una piattaforma per realizzare nanoarchitetture superconduttrici 3-D con un'organizzazione prescritta. Come riportato nel numero del 10 novembre di Comunicazioni sulla natura, questa piattaforma si basa sull'autoassemblaggio del DNA nelle forme 3D desiderate su scala nanometrica. Nell'autoassemblaggio del DNA, un singolo lungo filamento di DNA è piegato da filamenti complementari più corti in punti specifici, simili agli origami, l'arte giapponese di piegare la carta.

"A causa della sua programmabilità strutturale, Il DNA può fornire una piattaforma di assemblaggio per costruire nanostrutture progettate, " ha detto l'autore corrispondente Oleg Gang, leader del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven Lab e professore di ingegneria chimica e di fisica applicata e scienza dei materiali presso la Columbia Engineering. "Però, la fragilità del DNA lo fa sembrare inadatto alla fabbricazione di dispositivi funzionali e alla nanofabbricazione che richiede materiali inorganici. In questo studio, abbiamo mostrato come il DNA può fungere da impalcatura per la costruzione di architetture in nanoscala 3-D che possono essere completamente "convertite" in materiali inorganici come i superconduttori".

Per fare l'impalcatura, gli scienziati di Brookhaven e della Columbia Engineering hanno progettato per la prima volta "cornice" di origami di DNA a forma ottaedrica. Aaron Michelson, Studente laureato di Gang, applicato una strategia programmabile del DNA in modo che questi frame si assemblassero nei reticoli desiderati. Quindi, ha usato una tecnica chimica per rivestire i reticoli del DNA con biossido di silicio (silice), solidificando le costruzioni originariamente morbide, che richiedevano un ambiente liquido per preservare la loro struttura. Il team ha adattato il processo di fabbricazione in modo che le strutture fossero fedeli al loro design, come confermato dall'imaging presso la CFN Electron Microscopy Facility e dallo scattering di raggi X a piccolo angolo presso la linea di luce Complex Materials Scattering della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven. Questi esperimenti hanno dimostrato che l'integrità strutturale è stata preservata dopo aver rivestito i reticoli del DNA.

"Nella sua forma originale, Il DNA è completamente inutilizzabile per l'elaborazione con i metodi nanotecnologici convenzionali, " disse Gang. "Ma una volta che ricopriamo il DNA di silice, abbiamo un'architettura 3D meccanicamente robusta su cui possiamo depositare materiali inorganici utilizzando questi metodi. Questo è analogo alla nanoproduzione tradizionale, in cui si depositano materiali di pregio su substrati piani, tipicamente silicio, per aggiungere funzionalità."

Il team ha spedito i reticoli di DNA rivestiti di silice dal CFN all'Istituto di superconduttività di Bar-Ilan, che è guidato da Yosi Yeshurun. Gang e Yeshurun ​​si sono conosciuti un paio di anni fa, quando Gang ha tenuto un seminario sulla sua ricerca sull'assemblaggio del DNA. Yeshurun, che nell'ultimo decennio ha studiato le proprietà della superconduttività su scala nanometrica, pensava che l'approccio basato sul DNA di Gang potesse fornire una soluzione a un problema che stava cercando di risolvere:come possiamo fabbricare strutture nanometriche superconduttive in tre dimensioni?

"In precedenza, la realizzazione di nanosuperconduttori 3D ha comportato un processo molto elaborato e difficile utilizzando tecniche di fabbricazione convenzionali, " disse Yeshurun, autore corrispondente. "Qui, abbiamo trovato un modo relativamente semplice utilizzando le strutture del DNA di Oleg".

All'Istituto di Superconduttività, Lo studente laureato di Yeshurun, Lior Shani, ha fatto evaporare un superconduttore a bassa temperatura (niobio) su un chip di silicio contenente un piccolo campione dei reticoli. La velocità di evaporazione e la temperatura del substrato di silicio dovevano essere attentamente controllate in modo che il niobio ricoprisse il campione ma non penetrasse fino in fondo. Se ciò è accaduto, potrebbe verificarsi un cortocircuito tra gli elettrodi utilizzati per le misure di trasporto elettronico.

"Abbiamo tagliato un canale speciale nel substrato per garantire che la corrente passi solo attraverso il campione stesso, " ha spiegato Yeshurun.

Le misurazioni hanno rivelato una serie 3D di giunzioni Josephson, o sottili barriere non superconduttrici attraverso le quali passa la corrente superconduttiva. Gli array di giunzioni Josephson sono fondamentali per sfruttare i fenomeni quantistici nelle tecnologie pratiche, come i dispositivi superconduttori di interferenza quantistica per il rilevamento del campo magnetico. In 3-D, più giunzioni possono essere imballate in un piccolo volume, aumento della potenza del dispositivo.

"Da quasi 15 anni gli origami del DNA producono strutture in nanoscala 3D belle e ornate, ma il DNA stesso non è necessariamente un materiale funzionale utile, " ha detto Evan Runnerstrom, responsabile del programma per la progettazione dei materiali presso l'US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory dell'U.S. Army Research Office, che ha finanziato in parte i lavori. "Ciò che il prof. Gang ha mostrato qui è che puoi sfruttare gli origami del DNA come modello per creare utili nanostrutture 3D di materiali funzionali, come il niobio superconduttore. Questa capacità di progettare e fabbricare arbitrariamente materiali funzionali strutturati in 3D complessi dal basso verso l'alto accelererà gli sforzi di modernizzazione dell'esercito in aree come il rilevamento, ottica, e informatica quantistica".

"Abbiamo dimostrato un percorso su come le complesse organizzazioni del DNA possono essere utilizzate per creare materiali superconduttori 3-D altamente nanostrutturati, " ha detto Gang. "Questo percorso di conversione del materiale ci dà la capacità di realizzare una varietà di sistemi con proprietà interessanti, non solo la superconduttività ma anche altri dispositivi elettronici, meccanico, ottico, e proprietà catalitiche. Possiamo immaginarlo come una "litografia molecolare, "dove il potere della programmabilità del DNA viene trasferito alla nanofabbricazione inorganica 3-D."