Realizzate nanosuperconduttori 3D con DNA

Gli scienziati hanno sviluppato una nuova piattaforma basata sull'autoassemblaggio del DNA nelle forme 3-D desiderate su nanoscala.

I materiali nanostrutturati tridimensionali (3-D) - quelli con forme complesse su una scala dimensionale di miliardesimi di metro - che possono condurre elettricità senza resistenza potrebbero essere utilizzati in una gamma di dispositivi quantistici. Ad esempio, tali nanostrutture superconduttive 3-D potrebbero trovare applicazione negli amplificatori di segnale per migliorare la velocità e la precisione dei computer quantistici e dei sensori di campo magnetico ultrasensibile per l'imaging medico e la mappatura geologica del sottosuolo. Tuttavia, 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, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), della Columbia University e della Bar-Ilan University in Israele hanno sviluppato una piattaforma per realizzare nano-architetture superconduttive 3-D con un'organizzazione prescritta. Come riportato da Nature Communications, (1) questa piattaforma si basa sull'autoassemblaggio del DNA nelle forme 3-D desiderate su nanoscala. Nell'autoassemblaggio del DNA, un singolo lungo filamento di DNA viene piegato da fili “staple” complementari più corti in punti specifici - simile all'origami, l'arte giapponese di piegare la carta.

«Grazie alla sua programmabilità strutturale, il DNA può fornire una piattaforma di assemblaggio per la costruzione di nanostrutture progettate», ha detto l'autore co-corrispondente, il dottor Oleg Gang, (2) leader del Soft and Bio Nanomaterials Group (3) presso il Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) e professore di chimica ingegneria e fisica applicata e scienza dei materiali presso la Columbia Engineering. «Tuttavia, la fragilità del DNA lo fa sembrare inadatto per la fabbricazione di dispositivi funzionali e la nanofabbricazione che richiede materiali inorganici. In questo studio, abbiamo mostrato come il DNA possa fungere da impalcatura per la costruzione di architetture su scala nanometrica 3-D che possono essere completamente convertite in materiali inorganici come i superconduttori».

Per realizzare l'impalcatura, gli scienziati del Brookhaven e della Columbia Engineering hanno prima progettato frames origami di DNA di forma ottaedrica. Il dottor Aaron Michelson, lo studente laureato del dottor Oleg Gang, ha applicato una strategia programmabile dal DNA in modo che questi frames si assemblino nei reticoli desiderati. Quindi, ha utilizzato 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 siano 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 fascio di scattering dei materiali complessi della sorgente di luce di sincrotrone nazionale II di Brookhaven (NSLS-II ). Questi esperimenti hanno dimostrato che l'integrità strutturale è stata preservata dopo aver rivestito i reticoli del DNA.

Il dottor Oleg Gang spiega: «Nella sua forma originale, il DNA è completamente inutilizzabile per l'elaborazione con i metodi nanotecnologici convenzionali. Ma una volta rivestito con silice, abbiamo un'architettura 3-D meccanicamente robusta su cui possiamo depositare materiali inorganici utilizzando questi metodi. Questo è analogo alla nanofabbricazione tradizionale, in cui materiali preziosi vengono depositati su substrati piatti, 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, guidato dal dottor Yosef Yeshurun. (4) 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 negli ultimi dieci anni 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 superconduttive su nanoscala in tre dimensioni

«In precedenza, la realizzazione di nanosuperconduttori 3-D implicava un processo molto elaborato e difficile utilizzando tecniche di fabbricazione convenzionali», ha affermato Yeshurun, co-autore corrispondente. «Qui, abbiamo trovato un modo relativamente semplice utilizzando le strutture del DNA di Oleg».

All'Institute of Superconductivity, lo studente laureato di Yeshurun, il dottor Lior Shani (5) 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 rivestisse il campione ma non penetrasse completamente. Se ciò accadesse, 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 passasse solo attraverso il campione stesso», ha spiegato Yeshurun.

Le misurazioni hanno rivelato una matrice 3-D di giunzioni Josephson, o sottili barriere non superconduttrici attraverso le quali si estendono gallerie di corrente superconduttrice. Gli array di giunzioni Josephson sono fondamentali per sfruttare i fenomeni quantistici in tecnologie pratiche, come i dispositivi di interferenza quantistica e i superconduttori per il rilevamento del campo magnetico. In 3-D, più giunzioni possono essere raggruppate in un piccolo volume, aumentando la potenza del dispositivo.

«L'origami di DNA ha prodotto strutture in nanoscala tridimensionali belle e ornate per quasi 15 anni, ma il DNA stesso non è necessariamente un materiale funzionale utile», ha affermato Evan Runnerstrom, responsabile del programma per la progettazione dei materiali presso il Comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. Il Laboratory of the US Army Research Office, che ha in parte finanziato il lavoro. «Il professor Gang ha dimostrato la possibilità di sfruttare l'origami del DNA come modello per creare utili nanostrutture tridimensionali di materiali funzionali, come il niobio superconduttore. Questa capacità di progettare e fabbricare arbitrariamente materiali funzionali strutturati tridimensionali complessi dal basso verso l'alto accelererà gli sforzi di modernizzazione dell'esercito in settori come il rilevamento, l'ottica e l'informatica quantistica».

«Abbiamo dimostrato un percorso per come complesse organizzazioni di DNA possono essere utilizzate per creare materiali superconduttori 3-D altamente nanostrutturati», ha detto il dottor Gang. «Questo percorso di conversione del materiale ci dà la capacità di creare una varietà di sistemi con proprietà interessanti - non solo la superconduttività ma anche altre proprietà elettroniche, meccaniche, ottiche e catalitiche. Possiamo immaginarlo come una “litografia molecolare”, dove il potere della programmabilità del DNA viene trasferita alla nanofabbricazione inorganica 3-D».

Questa ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, Army Research Office; DOE Office of Science; Ministero israeliano della scienza e della tecnologia; e Israel Science Foundation. Sia il CFN che il NSLS-II sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science. Alcuni studi di imaging sono stati effettuati presso l'Imaging Facility della City University di New York Advanced Science Research Center.

Brookhaven National Laboratory è supportato dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. L'Office of Science è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. (6)

Columbia Engineering

Columbia Engineering, con sede a New York City, è una delle migliori scuole di ingegneria negli Stati Uniti e una delle più antiche della nazione. Conosciuta anche come The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, la Scuola espande la conoscenza e fa avanzare la tecnologia attraverso la ricerca pionieristica dei suoi oltre 220 docenti, mentre educa studenti universitari e laureati in un ambiente collaborativo per diventare leader informati da una solida fondazione in ingegneria. I docenti della Scuola sono al centro della ricerca interdisciplinare dell'Università, contribuendo al Data Science Institute, all'Earth Institute, allo Zuckerman Mind Brain Behaviour Institute, alla Precision Medicine Initiative e alla Columbia Nano Initiative. Guidata dalla sua visione strategica, “Columbia Engineering for Humanity”, la Scuola mira a tradurre le idee in innovazioni che promuovono un'umanità sostenibile, sana, sicura, connessa e creativa.

Riferimenti:

(1) DNA-assembled superconducting 3D nanoscale architectures

(2) Oleg Gang

(3) Soft and Bio Nanomaterials Group

(4) Yosef Yeshurun

(5) Lior Shani

(6) Office of Science

Descrizione foto: Un'illustrazione che mostra come è possibile creare materiali superconduttori 3-D altamente nanostrutturati sulla base dell'autoassemblaggio del DNA. - Credit: Brookhaven National Laboratory.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Making 3-D Nanosuperconductors with DNA