一个平台让3 d Nanosuperconductors DNA

三维(3 d)纳米材料——那些具有复杂形状的大小规模十亿分之一米,可以导电,而阻力可以用于一系列量子设备。例如,这样的三维超导纳米结构可以找到应用程序在信号放大器提高量子计算机的速度和准确度和超灵敏磁场传感器用于医学成像和地下地质映射。然而,传统的制造工具如光刻限于一维,二维纳米结构如超导电线和薄膜。

现在,科学家们从美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室,哥伦比亚大学和以色列巴伊兰大学开发了一个平台让3 d超导nano-architectures规定组织。在11月10日的报道自然通讯,这个平台是基于DNA的自组装纳米成需要的3 - d形状。在DNA自组装,一个长链DNA折叠的短链互补的“主食”在特定的位置,类似于折纸,日本折纸艺术。

”,因为其结构可编程性、DNA构建纳米结构设计,可以提供组装平台”说的共同通讯作者奥列格•帮派领袖的柔软和生物纳米材料集团布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心(CFN)和化学工程教授和哥伦比亚大学的应用物理学和材料科学工程。“然而,DNA的脆弱性使它似乎不适合功能设备制造和nanomanufacturing要求无机材料。在这项研究中,我们展示了DNA构建三维纳米结构可以作为支架,可以完全“转换”到无机材料像超导体。”

脚手架,布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚工程科学家首次设计octahedral-shaped DNA折纸“帧”。Aaron Michelson, Gang's graduate student, applied a DNA-programmable strategy so that these frames would assemble into desired lattices. Then, he used a chemistry technique to coat the DNA lattices with silicon dioxide (silica), solidifying the originally soft constructions, which required a liquid environment to preserve their structure. The team tailored the fabrication process so the structures were true to their design, as confirmed by imaging at the CFN Electron Microscopy Facility and small-angle x-ray scattering at the Complex Materials Scattering beamline of Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). These experiments demonstrated that the structural integrity was preserved after they coated the DNA lattices.

“在其原始形式,DNA是完全无法与传统纳米技术处理方法,”说。“但一旦我们外套与二氧化硅的DNA,我们有一个机械健壮的三维架构,我们可以存款无机材料在使用这些方法。这是类似于传统nanomanufacturing,宝贵的材料放置在平坦的基质,典型的硅,添加功能。”

团队从CFN silica-coated DNA晶格运往依兰研究所的超导、尤西Yeshurun为首。帮派和Yeshurun成为认识几年前,当帮派发表了他的DNA组装研究研讨会。Yeshurun——在过去的十年中一直在研究超导在纳米尺度上的属性,认为黑帮的基于dna的方法可以提供一个解决他想解决的问题:我们如何能制造超导纳米结构在三维空间?

“以前,使3 d nanosuperconductors涉及非常复杂和困难的过程使用传统的制造技术,“Yeshurun说,共同通讯作者。“在这里,我们找到了一个相对简单的方法使用奥列格的DNA结构。”

研究所的超导,Yeshurun研究生Lior沙尼蒸发低温超导体(铌)到硅晶格的芯片包含一个小样本。蒸发率和硅衬底温度必须仔细地控制这铌涂层样品但没有穿透所有的方式通过。如果这发生了,短的可能发生电极用于电子运输之间的测量。

“我们把一个特殊的通道在衬底,以确保当前只会穿过样品本身,“Yeshurun解释道。

约瑟夫森结的测量显示一个三维数组,或瘦nonsuperconducting壁垒超导电流通过隧道。约瑟夫森结阵列是利用量子现象在实际的关键技术,如超导量子干涉器件磁场感应。在3 d,更多的连接可以包装进一个小的体积,增加设备能力。

“DNA折纸生产美丽和华丽的三维纳米结构近15年,但DNA本身不一定是一个有用的功能材料,”埃文Runnerstrom说,项目经理为材料设计在美国陆军作战能力发展命令陆军研究实验室的美国陆军研究办公室,它资助了部分工作。“帮派教授已经证明是您可以利用DNA折纸作为模板来创建有用的三维纳米结构功能材料,如超导铌。这种任意的能力从自底向上设计和制造复杂的3-D-structured功能材料将加速军队现代化的努力在传感、光学,量子计算。”

“我们展示了多么复杂的通路DNA组织可以用来创建高度纳米三维超导材料、“黑帮说。“这材料转换途径给我们的能力使各种系统与有趣属性——不仅超导还其他电子,机械,光学,和催化特性。我们可以将它想像成一个“分子光刻,”DNA可编程性的力量转移到三维无机纳米加工。”

参考:沙尼,L,迈克耳逊,。N, Minevich, b . et al . DNA-assembled超导三维纳米结构。Nat Commun。2020;11 (5697)。doi:10.1038 / s41467 - 020 - 19439 - 9

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