Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), della Columbia University e della Stony Brook University hanno sviluppato un metodo universale per produrre un'ampia varietà di nanostrutture 3D metalliche e semiconduttrici progettate:i potenziali materiali di base per dispositivi a semiconduttore di prossima generazione, calcolo neuromorfico e applicazioni energetiche avanzate.
Il nuovo metodo, che utilizza una forma di DNA “hackerata” che istruisce le molecole a organizzarsi in modelli 3D mirati, è il primo nel suo genere a produrre nanostrutture robuste da più classi di materiali. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances .
"Utilizziamo il DNA per programmare materiali su scala nanometrica da più di un decennio", ha affermato l'autore corrispondente Oleg Gang, professore di ingegneria chimica e fisica applicata e scienza dei materiali alla Columbia Engineering e leader del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Centro. per i Nanomateriali Funzionali (CFN). CFN è una struttura utente del DOE Office of Science presso Brookhaven Lab.
"Ora, basandoci sui risultati precedenti, abbiamo sviluppato un metodo per convertire queste strutture basate sul DNA in molti tipi di nano-architetture 3D inorganiche funzionali, e questo apre enormi opportunità per la produzione su scala nanometrica 3D."
CFN è leader nella ricerca sull'autoassemblaggio, il processo mediante il quale le molecole si organizzano spontaneamente. In particolare, gli scienziati del CFN sono esperti nell'assemblaggio diretto dal DNA.
I ricercatori programmano filamenti di DNA per "indirizzare" il processo di autoassemblaggio verso disposizioni molecolari che danno origine a proprietà benefiche, come conduttività elettrica, fotosensibilità e magnetismo. Quindi, tali strutture possono essere ampliate fino a diventare materiali funzionali. Fino ad oggi, CFN ha utilizzato l'assemblaggio diretto dal DNA per produrre film sottili commutabili, nanosuperconduttori 3D e altro ancora.
"Abbiamo dimostrato vari tipi di strutture che possiamo organizzare utilizzando l'assemblaggio diretto dal DNA. Ma, per portare questa ricerca al livello successivo, non possiamo fare affidamento solo sul DNA", ha detto Gang. "Avevamo bisogno di espandere il nostro metodo per creare strutture più robuste con funzionalità più specifiche per tecnologie avanzate come la microelettronica e i dispositivi a semiconduttore."
Recentemente, Gang e colleghi, tra cui diversi studenti, sono stati in grado di far crescere la silice, una forma ossidata di silicio, su un reticolo di DNA. L'aggiunta di silice ha creato una struttura molto più robusta, ma la procedura non era ampiamente applicabile a materiali diversi. Il team necessitava ancora di ulteriori ricerche per sviluppare un metodo in grado di produrre materiali metallici e semiconduttori in modo efficiente.
Per sviluppare un metodo più universale per la produzione di nanostrutture 3D, i ricercatori del Soft and Bio Nanomaterials Group del CFN hanno collaborato con l'Electronic Nanomaterials Group del Centro.
"Il rapporto tra i diversi gruppi di ricerca del CFN è molto fruttuoso per tutti", ha affermato l'autore principale Aaron Michelson, un ricercatore post-dottorato presso il CFN che ha iniziato questa ricerca quando era studente laureato alla Columbia.
"I nostri laboratori di bio e materia soffice sono accanto ai laboratori di sintesi dei materiali, che sono accanto ai laboratori di microscopia elettronica, quindi è una relazione molto sinergica. La cultura del CFN rende più semplice l'iterazione della ricerca e, oltre a ciò, siamo circondato da tutte le attrezzature all'avanguardia di cui abbiamo bisogno."
Gli scienziati dell'Electronic Nanomaterials Group hanno aperto la strada a una nuova tecnica di sintesi dei materiali chiamata infiltrazione in fase vapore. Questa tecnica lega un precursore chimico, sotto forma di vapore, a un reticolo su scala nanometrica, penetrando oltre la superficie e in profondità nella struttura del materiale.
L'esecuzione di questa tecnica sulle strutture di silice che il team di Gang aveva precedentemente costruito, utilizzando precursori con elementi metallici, ha consentito ai ricercatori di produrre strutture metalliche 3D.
"Stavamo già utilizzando questa tecnica per altre applicazioni, come il miglioramento dei materiali microelettronici o delle membrane per la separazione del gas per l'idrogeno, quando ci siamo resi conto che poteva essere applicata all'assemblaggio diretto dal DNA", ha affermato l'autore co-corrispondente Chang-Yong Nam, uno scienziato del Gruppo sui nanomateriali elettronici presso CFN.
Nam guida il programma di ricerca sullo sviluppo di metodi di sintesi di infiltrazione in fase vapore per applicazioni di microelettronica e tecnologia energetica. "È stato molto emozionante."
Il team ha anche sperimentato l'infiltrazione in fase liquida, un'altra tecnica che forma legami chimici sulla superficie di un materiale, tranne che con un precursore liquido. In questo caso, il team ha legato diversi sali metallici alla silice, formando una varietà di strutture metalliche.
"Incorporando rivestimenti a elemento singolo e multielemento attraverso tecniche di infiltrazione in fase liquida e vapore, abbiamo preservato il reticolo del DNA sottostante consentendo al contempo la produzione di nanostrutture inorganiche 3D", ha affermato Gang.
Michelson ha aggiunto:"Un altro modo di pensare a come abbiamo costruito queste strutture è paragonarlo alla costruzione di una casa. Innanzitutto, costruisci le ossa:il legname della casa o la silice in questi materiali. Quindi, inizi ad aggiungere componenti funzionali, come isolamenti o elementi metallici."
La varietà di componenti funzionali disponibili, sia per le case che per i nanomateriali, è vasta. Ad esempio, per proteggere le case dalle tempeste, alcune case necessitano di finestre resistenti agli uragani e altre necessitano di fondamenta rialzate. Altre case necessitano di una combinazione di componenti unici e funzionali come questi, e lo stesso vale per i nanomateriali. Pertanto, per consentire la produzione della più ampia varietà di nanostrutture funzionali attraverso un unico metodo, il team ha deciso di impilare entrambe le tecniche di infiltrazione.
"L'integrazione di queste tecniche ha mostrato una profondità di controllo molto maggiore di quanto sia mai stato ottenuto prima", ha affermato Michelson. "Tutti i vapori disponibili come precursori per l'infiltrazione in fase vapore possono essere accoppiati con vari sali metallici compatibili con l'infiltrazione in fase liquida per creare strutture più complesse. Ad esempio, siamo stati in grado di combinare platino, alluminio e zinco sopra una nanostruttura ."
Questo metodo universale si è rivelato estremamente efficace per produrre nanostrutture 3D di un’ampia varietà di composizioni materiali, a tal punto da sorprendere i ricercatori. Il team è stato in grado di produrre nanostrutture 3D contenenti diverse combinazioni di zinco, alluminio, rame, molibdeno, tungsteno, indio, stagno e platino. Questa è la prima dimostrazione di questo genere per la creazione di nanomateriali 3D altamente strutturati.
"Una delle cose più sorprendenti di questo esperimento è che siamo stati in grado di produrre con successo così tante composizioni materiali diverse di nanostrutture utilizzando un protocollo di processo identico in un modo semplice, ripetibile e robusto", ha affermato Michelson.
"In genere, per ricerche come questa, è necessario dedicare una notevole quantità di tempo con una sola classe di materiali cercando di farlo funzionare, giorno dopo giorno. Mentre qui, quasi tutto ciò che abbiamo provato ha funzionato rapidamente e, ad un certo punto, abbiamo semplicemente dovuto smettere di produrre strutture perché volevamo scriverne."
Per dimostrare il successo di questo metodo per ogni nanostruttura sviluppata, fino al livello di dettaglio più fine, i ricercatori hanno sfruttato le competenze e le strutture di imaging di livello mondiale presso il CFN e la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). NSLS-II è una struttura utilizzata dal DOE Office of Science presso il Brookhaven Lab che produce raggi X ultraluminosi per illuminare la composizione fisica, chimica ed elettronica dei campioni su scala atomica.
"Non solo abbiamo creato tutte queste nanostrutture, ma le abbiamo caratterizzate completamente per cercare di comprenderle ed elaborarle ulteriormente", ha affermato Michelson. "Inizialmente, questi materiali potrebbero esistere in uno stato intermedio, che potremmo ulteriormente elaborare fino a uno stato finale, più funzionale e utile."
Esistono diverse proprietà necessarie per realizzare materiali utili per tecnologie come i dispositivi a semiconduttore. Per questo studio, i ricercatori hanno conferito conduttività elettrica e fotoattività alle nanostrutture 3D. Ad esempio, hanno iniziato con un materiale isolante e poi, attraverso il loro nuovo metodo di assemblaggio diretto dal DNA che incorpora due tecniche di infiltrazione, hanno aggiunto ossidi metallici semiconduttori, come l'ossido di zinco, in modo che la nanostruttura potesse ereditare la sua conduttività elettrica e fotoluminescenza. /P>
Infine, per tutti i prodotti finali, hanno portato i campioni presso le strutture di imaging del Brookhaven Lab per verificarne la composizione volumetrica.
Al CFN, il team ha utilizzato l'impianto di microscopia elettronica per produrre viste ad alta risoluzione delle loro strutture dopo l'infiltrazione in fase vapore, l'infiltrazione in fase liquida e l'impilamento di entrambe le tecniche, per ogni precursore utilizzato.
Hanno sfruttato una combinazione di microscopi elettronici a trasmissione e microscopi elettronici a scansione, che generano immagini con risoluzione su scala nanometrica analizzando rispettivamente il modo in cui gli elettroni rimbalzano o passano attraverso i campioni.
Queste tecniche hanno consentito ai ricercatori di produrre viste pittoresche delle loro nanostrutture e di mappare le loro disposizioni chimiche con elevata precisione e in piccole aree dei loro campioni.
Per ottenere visualizzazioni 3D di queste informazioni su aree più ampie, il team ha utilizzato la linea di fascio Complex Materials Scattering (CMS) e la linea di fascio Hard X-ray Nanoprobe (HXN) presso NSLS-II.
CMS è una linea di luce partner gestita congiuntamente da NSLS-II e CFN. Lì, i ricercatori hanno diretto i raggi X ultraluminosi di NSLS-II sui loro campioni, osservando come i raggi X si diffondevano per dedurre la disposizione atomica 3D delle nanostrutture. Nel frattempo, HXN ha fornito immagini 3D dirette sia delle strutture che delle loro "mappe" chimiche
I ricercatori hanno utilizzato la tecnica più avanzata dell'HXN, la nanotomografia a raggi X, che funziona in modo simile a una TAC medica. La linea di luce cattura 180 proiezioni 2D del campione, ruotandolo di un grado alla volta. Quindi, i computer costruiscono un'immagine 3D dalla serie di proiezioni. Ma a differenza delle scansioni TC, HXN incorpora una nanosonda per acquisire le proiezioni con risoluzione nanometrica.
"Questo tipo di dettaglio chimico non può essere catturato da altre tecniche o da qualsiasi altra struttura", ha affermato il coautore Hanfei Yan, scienziato capo della linea di luce presso HXN. "E questa informazione è stata molto importante per questo studio a causa della complessità delle nanostrutture. Scoprire la distribuzione degli elementi ci ha aiutato a determinare se il nuovo metodo era efficace e se i rivestimenti penetravano completamente nel reticolo."
Michelson ha dichiarato:"HXN ci ha fornito una risoluzione spaziale ed elementare che non potevamo ottenere da nessun'altra parte. HXN ci ha aiutato a confermare che non solo questi rivestimenti erano presenti sulle superfici del materiale, ma erano effettivamente volumetrici rispetto al campione."
Il gruppo aveva precedentemente utilizzato questa tecnica per rivelare la struttura 3D dei reticoli del DNA con la risoluzione di singole particelle. Ora, questa tecnica ha permesso loro di rivelare la disposizione delle nanocaratteristiche metalliche e dei semiconduttori all'interno del campione, il che era importante per verificare la fedeltà e la potenza del loro metodo di fabbricazione.
Dopo aver confermato il successo del nuovo metodo, il CFN lavorerà ora per applicare il metodo a ricerche più complesse e offrirlo agli scienziati in visita. In quanto struttura utente, CFN mette le sue capacità e competenze a disposizione degli "utenti" in tutto il paese e nel mondo. Assistere gli esperimenti degli utenti non solo fornisce ai ricercatori esterni strumenti a cui normalmente non avrebbero accesso, ma apre le porte a nuove collaborazioni e idee scientifiche che altrimenti non sarebbero mai realizzate.
"Sviluppiamo questi materiali e metodi, e questo è interessante per i nostri programmi al CFN, ma ci piacerebbe anche vedere gli utenti utilizzare questi metodi per le proprie ricerche", ha detto Gang. "Puntiamo sempre a migliorare i nostri metodi e a connettere nuovi ricercatori ai nostri sviluppi. Vogliamo che il nostro lavoro vada a beneficio della comunità scientifica più ampia, non solo del Brookhaven Lab."
L'ecosistema di competenze e strutture di CFN che ha favorito questa ricerca è anche un vantaggio per gli utenti e CFN espande costantemente le sue offerte rendendole più accessibili. Ad esempio, gli scienziati stanno cercando di implementare il nuovo metodo di ricerca in uno degli strumenti più recenti del Centro, un robot per la gestione dei liquidi.
"Lo sviluppo di questi metodi e la pubblicazione di documenti sono solo una parte della missione complessiva del CFN", ha affermato il coautore Jason Kahn, uno scienziato del Soft and Bio Nanomaterials Group del CFN.
"Un altro obiettivo importante per CFN è rendere il nostro lavoro e le nostre strutture più accessibili, e ciò significa sviluppare un protocollo standard per consentire agli utenti di sintetizzare materiali in modo ad alto rendimento. Vogliamo che gli utenti possano venire da noi e dire:"Voglio per realizzare questo materiale con questo spessore, struttura e composizione per ottenere queste proprietà specifiche.' L'implementazione del gestore dei liquidi faciliterà tale protocollo."
CFN studia anche le proprietà meccaniche dei nanomateriali e materiali come quelli sviluppati in questo lavoro hanno un grande potenziale per migliorare le prestazioni meccaniche, come è stato recentemente dimostrato dal gruppo in un altro studio.
Nel complesso, il nuovo metodo di CFN per la creazione di nanostrutture 3D progettate, robuste e funzionalmente sintonizzabili ha posto le basi per scoperte rivoluzionarie nella produzione avanzata su piccola scala. Il loro lavoro potrebbe consentire diverse tecnologie emergenti e fornirà nuove opportunità per le iniziative scientifiche e gli utenti del Brookhaven Lab.
Ulteriori informazioni: Aaron Michelson et al, Strutture tridimensionali su scala nanometrica di metalli, ossidi metallici e semiconduttori tramite assemblaggio e modelli programmabili tramite DNA, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0604
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
