Komplexe 3-D-Architekturen im Nanomaßstab, die auf der Selbstorganisation der DNA basieren, können Elektrizität ohne Widerstand leiten und könnten eine Plattform für die Herstellung von Quantencomputern und Sensorvorrichtungen bieten.

Dreidimensionale (3-D) nanostrukturierte Materialien – mit komplexen Formen auf einer Größenskala von Milliardstel Metern -, die Elektrizität ohne Widerstand leiten können, könnten in einer Reihe von Quantengeräten verwendet werden.

Solche 3-D-supraleitenden Nanostrukturen könnten beispielsweise in Signalverstärkern Anwendung finden, um die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Quantencomputern und ultrasensitiven Magnetfeldsensoren für die medizinische Bildgebung und geologische Kartierung des Untergrundes zu verbessern. Herkömmliche Fertigungswerkzeuge wie die Lithographie sind jedoch auf 1-D- und 2-D-Nanostrukturen wie supraleitende Drähte und dünne Filme beschränkt.

Jetzt haben Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), der Columbia University und der Bar-Ilan University eine Plattform für die Herstellung von 3-D-supraleitenden Nanoarchitekturen mit einer vorgeschriebenen Organisation entwickelt.

Wie in der Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications vom 10. November berichtet wurde, basiert diese Plattform auf der Selbstorganisation von DNA zu gewünschten 3-D-Formen im Nanobereich. Bei der DNA-Selbstorganisation wird ein einzelner langer DNA-Strang durch kürzere komplementäre “Klammer”-Stränge an bestimmten Stellen gefaltet – ähnlich wie Origami, die japanische Kunst des Papierfaltens.

“Aufgrund ihrer strukturellen Programmierbarkeit kann die DNA eine Montageplattform für den Aufbau von entworfenen Nanostrukturen bieten”, sagte der Co-Korrespondenzautor Oleg Gang, Leiter der Gruppe für weiche und biologische Nanomaterialien am Center for Functional Nanomaterials (CFN) des Brookhaven Labors und Professor für Chemieingenieurwesen und für angewandte Physik und Materialwissenschaften an der Columbia Engineering.

“Die Zerbrechlichkeit der DNA lässt sie jedoch für die Herstellung funktioneller Geräte und die Nanofertigung, die anorganische Materialien erfordert, ungeeignet erscheinen. In dieser Studie haben wir gezeigt, wie DNA als Gerüst für den Aufbau von 3-D-Architekturen im Nanobereich dienen kann, die vollständig in anorganische Materialien wie Supraleiter “umgewandelt” werden können.

Origami der Materie

Zur Herstellung des Gerüsts entwarfen die Wissenschaftler von Brookhaven und Columbia Engineering zunächst oktaedrisch geformte DNA-Origami-“Rahmen”. Aaron Michelson, Gang’s Doktorand, wandte eine DNA-programmierbare Strategie an, so dass sich diese Rahmen zu den gewünschten Gittern zusammensetzen konnten.

Dann verwendete er eine chemische Technik, um die DNA-Gitter mit Siliciumdioxid (Kieselerde) zu beschichten, wodurch die ursprünglich weichen Konstruktionen, die eine flüssige Umgebung benötigten, um ihre Struktur zu erhalten, verfestigt wurden.

Das Team passte den Herstellungsprozess so an, dass die Strukturen ihrem Design treu blieben, was durch die Bildgebung an der CFN-Elektronenmikroskopieanlage und die Kleinwinkel-Röntgenstrahlenstreuung am Strahlengang für komplexe Materialien der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) in Brookhaven bestätigt wurde. Diese Experimente zeigten, dass die strukturelle Integrität erhalten blieb, nachdem sie die DNA-Gitter beschichtet hatten.

“In ihrer ursprünglichen Form ist die DNA für die Verarbeitung mit herkömmlichen Nanotechnologie-Methoden völlig unbrauchbar”, sagte Gang. “Aber sobald wir die DNA mit Kieselerde beschichten, haben wir eine mechanisch robuste 3-D-Architektur, auf der wir mit diesen Methoden anorganische Materialien abscheiden können. Dies ist analog zur traditionellen Nanomanufacturing, bei der wertvolle Materialien auf flache Substrate, typischerweise Silizium, aufgebracht werden, um die Funktionalität zu erhöhen.

Das Team schickte die mit Silika beschichteten DNA-Gitter vom CFN an Bar-Ilans Institut für Supraleitung, das von Prof. Yosi Yeshurun vom Fachbereich Physik geleitet wird. Gang und Yeshurun lernten sich vor ein paar Jahren kennen, als Gang ein Seminar über seine Forschungen zur DNA-Baugruppe abhielt.

Yeshurun – der in den letzten zehn Jahren die Eigenschaften der Supraleitung im Nanobereich untersucht hat – dachte, dass Gangs DNA-basierter Ansatz eine Lösung für ein Problem bieten könnte, das er zu lösen versuchte: Wie können wir supraleitende Strukturen im Nanobereich in drei Dimensionen herstellen?

“Früher war die Herstellung von 3-D-Nanosupraleitern ein sehr aufwendiger und schwieriger Prozess, bei dem konventionelle Herstellungstechniken verwendet wurden”, sagte Yeshurun, Mitautor. “Hier fanden wir einen relativ einfachen Weg, Olegs DNA-Strukturen zu verwenden.

Am Institut für Supraleitung verdampfte Yeshuruns Doktorand Lior Shani einen Niedrigtemperatur-Supraleiter (Niob) auf einen Siliziumchip, der eine kleine Probe der Gitter enthielt. Die Verdampfungsrate und die Temperatur des Siliziumsubstrats mussten sorgfältig kontrolliert werden, damit das Niob die Probe beschichtete, aber nicht ganz durchdrang.

Wenn das geschah, konnte ein Kurzschluss zwischen den Elektroden auftreten, die für die elektronischen Transportmessungen verwendet wurden. “Wir schnitten einen speziellen Kanal in das Substrat, um sicherzustellen, dass der Strom nur durch die Probe selbst fließen würde”, erklärte Yeshurun.

Materientransformation

Die Messungen ergaben eine 3-D-Anordnung von Josephson-Kontakten oder dünnen, nicht supraleitenden Barrieren, durch die supraleitende Stromtunnel führen. Anordnungen von Josephson-Kontakten sind der Schlüssel zur Nutzung von Quantenphänomenen in praktischen Technologien, wie supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtungen für die Magnetfeldabtastung. In 3-D können mehr Übergänge in ein kleines Volumen gepackt werden, wodurch die Leistung der Bauelemente erhöht wird.

“DNA-Origami produziert seit fast 15 Jahren schöne und verzierte 3-D-Nanoskala-Strukturen, aber DNA selbst ist nicht unbedingt ein nützliches Funktionsmaterial”, sagte Evan Runnerstrom, Programmmanager für Materialdesign am U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory des U.S. Army Research Office, das die Arbeit teilweise finanzierte.

“Was Prof. Gang hier gezeigt hat, ist, dass man DNA-Origami als Vorlage nutzen kann, um nützliche 3-D-Nanostrukturen von funktionalen Materialien, wie supraleitendes Niob, herzustellen. Diese Fähigkeit, komplexe 3-D-strukturierte Funktionsmaterialien von unten nach oben willkürlich zu entwerfen und herzustellen, wird die Modernisierungsbemühungen der Armee in Bereichen wie Sensorik, Optik und Quantencomputer beschleunigen.

“Wir haben einen Weg aufgezeigt, wie komplexe DNA-Organisationen genutzt werden können, um hoch nanostrukturierte 3-D-supraleitende Materialien herzustellen”, sagte Gang.

“Dieser Materialumwandlungspfad gibt uns die Möglichkeit, eine Vielzahl von Systemen mit interessanten Eigenschaften herzustellen – nicht nur Supraleitung, sondern auch andere elektronische, mechanische, optische und katalytische Eigenschaften. Wir können ihn uns als eine “molekulare Lithographie” vorstellen, bei der die Kraft der DNA-Programmierbarkeit auf die anorganische 3-D-Nanofabrikation übertragen wird.