Ricercatori della Columbia Engineering, lavorando con il Brookhaven National Laboratory, riferiscono oggi di aver costruito materiali 3D a base di nanoparticelle progettati in grado di resistere al vuoto, alte temperature, alta pressione, e radiazioni elevate. Questo nuovo processo di fabbricazione si traduce in strutture su nanoscala robuste e completamente ingegnerizzate che non solo possono ospitare una varietà di tipi di nanoparticelle funzionali, ma possono anche essere rapidamente elaborate con metodi di nanofabbricazione convenzionali.

"Questi materiali a base di nanoparticelle autoassemblati sono così resistenti che potrebbero volare nello spazio, "dice Oleg Gang, professore di ingegneria chimica e di fisica applicata e scienza dei materiali, che ha condotto lo studio pubblicato oggi da Progressi scientifici . "Siamo stati in grado di trasferire architetture di nanoparticelle di DNA 3D dallo stato liquido, e dall'essere un materiale flessibile, allo stato solido, dove la silice rinforza i montanti del DNA. Questo nuovo materiale mantiene pienamente la sua architettura di struttura originale del reticolo di nanoparticelle di DNA, essenzialmente creando una replica inorganica 3D. Questo ci ha permesso di esplorare, per la prima volta, come questi nanomateriali possono combattere condizioni difficili, come si formano, e quali sono le loro proprietà."

Le proprietà dei materiali sono diverse su scala nanometrica e i ricercatori hanno da tempo esplorato come utilizzare questi minuscoli materiali—1, 000 a 10, 000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano, in tutti i tipi di applicazioni, dalla realizzazione di sensori per telefoni alla realizzazione di chip più veloci per laptop. Tecniche di fabbricazione, però, sono state impegnative nella realizzazione di nano-architetture 3D. La nanotecnologia del DNA consente la creazione di materiali organizzati in modo complesso da nanoparticelle attraverso l'autoassemblaggio, ma data la natura morbida e dipendente dall'ambiente del DNA, tali materiali potrebbero essere stabili solo in una gamma ristretta di condizioni. In contrasto, i materiali di nuova formazione possono ora essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni in cui sono richieste queste strutture ingegnerizzate. Mentre la nanofabbricazione convenzionale eccelle nella creazione di strutture planari, Il nuovo metodo di Gang consente la fabbricazione di nanomateriali 3D che stanno diventando essenziali per così tanti dispositivi elettronici, ottico, e applicazioni energetiche.

Banda, che detiene un incarico congiunto come capogruppo del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Center for Functional Nanomaterials di Brookhaven Lab, è all'avanguardia nella nanotecnologia del DNA, che si basa sulla piegatura della catena del DNA nelle nanostrutture bidimensionali e tridimensionali desiderate. Queste nanostrutture diventano elementi costitutivi che possono essere programmati tramite interazioni Watson-Crick per autoassemblarsi in architetture 3D. Il suo gruppo progetta e forma queste nanostrutture di DNA, li integra con le nanoparticelle e dirige l'assemblaggio di materiali mirati a base di nanoparticelle. E, Ora, con questa nuova tecnica, il team può trasformare questi materiali da morbidi e fragili a solidi e robusti.

Questo nuovo studio dimostra un metodo efficiente per convertire i reticoli 3D di nanoparticelle di DNA in repliche di silice, pur mantenendo la topologia delle connessioni interparticellari mediante puntoni di DNA e l'integrità dell'organizzazione delle nanoparticelle. La silice funziona bene perché aiuta a mantenere la nanostruttura del reticolo del DNA genitore, forma un cast robusto del DNA sottostante e non influenza le disposizioni delle nanoparticelle.

"Il DNA in tali reticoli assume le proprietà della silice, "dice Aaron Michelson, un dottorato di ricerca studente del gruppo di Gang. "Diventa stabile all'aria e può essere essiccato e consente l'analisi 3D su nanoscala del materiale per la prima volta nello spazio reale. Inoltre, la silice fornisce resistenza e stabilità chimica, è a basso costo e può essere modificato secondo necessità:è un materiale molto conveniente."

Per saperne di più sulle proprietà delle loro nanostrutture, il team ha esposto i reticoli di nanoparticelle di DNA convertiti in silice a condizioni estreme:alte temperature superiori a 1, 0000C e sollecitazioni meccaniche elevate oltre 8GPa (circa 80, 000 volte più della pressione atmosferica, o 80 volte di più che nel luogo più profondo dell'oceano, la Fossa delle Marianne), e studiato questi processi in situ. Per valutare la fattibilità delle strutture per applicazioni e ulteriori fasi di elaborazione, i ricercatori li hanno anche esposti ad alte dosi di radiazioni e fasci di ioni focalizzati.

"La nostra analisi dell'applicabilità di queste strutture all'accoppiamento con le tradizionali tecniche di nanofabbricazione dimostra una piattaforma veramente robusta per la generazione di nanomateriali resilienti tramite approcci basati sul DNA per scoprire le loro nuove proprietà, " Note Gang. "Questo è un grande passo avanti, poiché queste proprietà specifiche significano che possiamo utilizzare il nostro assemblaggio di nanomateriali 3D e continuare ad accedere all'intera gamma di fasi di lavorazione dei materiali convenzionali. Questa integrazione di metodi di nanofabbricazione nuovi e convenzionali è necessaria per ottenere progressi nella meccanica, elettronica, plasmonica, fotonica, superconduttività, e materiali energetici”.

Le collaborazioni basate sul lavoro di Gang hanno già portato a una nuova superconduttività e alla conversione della silice in mezzi conduttivi e semiconduttori per un'ulteriore elaborazione. Questi includono uno studio precedente pubblicato da Comunicazioni sulla natura e uno recentemente pubblicato da Nano lettere . I ricercatori stanno anche pianificando di modificare la struttura per realizzare un'ampia gamma di materiali con proprietà meccaniche e ottiche altamente desiderabili.

"I computer sono stati realizzati con il silicio per oltre 40 anni, " Gang aggiunge. "Ci sono voluti quattro decenni per ridurre la fabbricazione a circa 10 nm per strutture e dispositivi planari. Ora possiamo creare e assemblare nanooggetti in una provetta in un paio d'ore senza strumenti costosi. Otto miliardi di connessioni su un singolo reticolo possono ora essere orchestrate per autoassemblarsi attraverso processi su scala nanometrica che possiamo progettare. Ogni connessione potrebbe essere un transistor, un sensore, o un emettitore ottico:ognuno può essere un po' di dati memorizzati. Mentre la legge di Moore sta rallentando, la programmabilità degli approcci di assemblaggio del DNA è lì per portarci avanti per risolvere problemi in nuovi materiali e nanoproduzione. Sebbene ciò sia stato estremamente impegnativo per i metodi attuali, è estremamente importante per le tecnologie emergenti."