Взлом ДНК для создания материалов нового поколения

Ученые разработали универсальный метод создания широкого спектра функциональных трехмерных металлических и полупроводниковых наноструктур.

Источник: Министерство энергетики / Брукхейвенская национальная лаборатория

Краткое содержание: Ученые разработали универсальный метод создания широкого спектра металлических и полупроводниковых 3D-наноструктур — потенциальных базовых материалов для полупроводниковых устройств следующего поколения, нейроморфных вычислений и передовых энергетических приложений. Новый метод, в котором используется «взломанная» форма ДНК, которая заставляет молекулы организовываться в целевые трехмерные структуры, является первым в своем роде методом создания надежных наноструктур из нескольких классов материалов.

Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), Колумбийского университета и Университета Стоуни-Брук разработали универсальный метод создания широкого спектра металлических и полупроводниковых 3D-наноструктур потенциальных базовых материалов для полупроводниковых устройств следующего поколения. нейроморфные вычисления и передовые энергетические приложения. Новый метод, в котором используется «взломанная» форма ДНК, которая инструктирует молекулы организовываться в целевые трехмерные структуры, является первым в своем роде методом создания надежных наноструктур из нескольких классов материалов. Исследование было недавно опубликовано в журнале Science Advances

«Мы используем ДНК для программирования наноразмерных материалов уже более десяти лет», сказал автор-корреспондент Олег Ганг, профессор химической инженерии, прикладной физики и материаловедения в Columbia Engineering и руководитель группы мягких и бионаноматериалов в Центре. по функциональным наноматериалам (CFN). CFN это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории. «Теперь, опираясь на предыдущие достижения, мы разработали метод преобразования этих структур на основе ДНК во многие типы функциональных неорганических 3D-наноархитектур, и это открывает огромные возможности для 3D-нанопроизводства».

Самосборка заложена в ДНК этой команды

CFN является лидером в исследовании самосборки процесса, посредством которого молекулы самопроизвольно организуются. В частности, ученые из CFN являются экспертами в области сборки ДНК. Исследователи программируют нити ДНК так, чтобы они «направляли» процесс самосборки к молекулярным структурам, которые приводят к появлению полезных свойств, таких как электропроводность, фоточувствительность и магнетизм. Затем эти структуры можно масштабировать до функциональных материалов. На сегодняшний день CFN использует сборку, управляемую ДНК, для производства переключаемых тонких пленок, 3D-наносверхпроводников и многого другого.

«Мы продемонстрировали различные типы структур, которые можно организовать с помощью сборки, управляемой ДНК. Но чтобы вывести это исследование на новый уровень, мы не можем полагаться только на ДНК», сказал Ганг. «Нам нужно было расширить наш метод, чтобы создавать более надежные структуры с более конкретными функциями для передовых технологий, таких как микроэлектроника и полупроводниковые устройства».

Недавно Ганг и его коллеги, в том числе несколько студентов, смогли вырастить диоксид кремния, окисленную форму кремния, на решетке ДНК. Добавление кремнезема создало гораздо более прочную структуру, но эта процедура не нашла широкого применения к различным материалам. Команде все еще требовались дальнейшие исследования для разработки метода, который мог бы эффективно производить металлические и полупроводниковые материалы.

Техники укладки (и опыт)

Чтобы разработать более универсальный метод создания 3D-наноструктур, исследователи из группы мягких и бионаноматериалов CFN сотрудничали с группой электронных наноматериалов Центра.

«Отношения между различными исследовательскими группами в CFN очень плодотворны для всех», сказал ведущий автор Аарон Майкельсон, научный сотрудник CFN, который начал это исследование, будучи аспирантом Колумбийского университета. «Наши лаборатории биологии и мягкого вещества находятся рядом с лабораториями синтеза материалов, которые находятся рядом с лабораториями электронной микроскопии, так что это очень синергетические отношения. Культура CFN облегчает повторение исследований, и, кроме того, мы окружены всем передовым оборудованием, которое нам нужно».

Ученые из группы электронных наноматериалов впервые разработали новую технику синтеза материалов, называемую инфильтрацией из паровой фазы. Этот метод связывает химическое вещество-прекурсор в форме пара с наноразмерной решеткой, проникая за пределы поверхности и глубоко в структуру материала. Применение этой техники на структурах из кремнезема, которые ранее построила команда Ганга, с использованием прекурсоров с металлическими элементами, позволило исследователям создавать трехмерные металлические структуры.

«Мы уже использовали эту технику для других применений, таких как улучшение материалов микроэлектроники или газоразделительных мембран для водорода, когда поняли, что ее можно применять для сборки, управляемой ДНК», сказал соавтор Чанг-Йонг Нам, ученый из Группа электронных наноматериалов в CFN. Нам возглавляет исследовательскую программу по разработке методов парофазного инфильтрационного синтеза для микроэлектроники и энергетических технологий. «Это было очень интересно».

Команда также экспериментировала с жидкофазной инфильтрацией еще одним методом, который формирует химические связи на поверхности материала, за исключением жидкого предшественника. В этом случае команда связала соли различных металлов с кремнеземом, образовав множество металлических структур.

«Внедряя одноэлементные и многоэлементные покрытия с помощью методов инфильтрации в жидкой и паровой фазе, мы сохранили лежащую в основе решетку ДНК, в то же время позволяя создавать трехмерные неорганические наноструктуры», сказал Ганг.

Майкельсон добавил: «Еще один способ подумать о том, как мы построили эти конструкции, сравнить это со строительством дома. Сначала вы строите кости пиломатериалы в доме или кремнезем в этих материалах. Затем вы начинаете добавлять на функциональных компонентах, таких как изоляция или металлические элементы».

Разнообразие доступных функциональных компонентов, как для домов, так и для наноматериалов, огромно. Например, чтобы защитить дом от урагана, некоторым домам нужны окна, устойчивые к ураганам, а некоторым домам нужен приподнятый фундамент. Другим домам нужна комбинация таких уникальных функциональных компонентов, как эти, и то же самое верно и для наноматериалов. Итак, чтобы обеспечить производство самого широкого разнообразия функциональных наноструктур с помощью одного метода, команда решила объединить оба метода инфильтрации.

«Сочетание этих техник показало гораздо большую глубину контроля, чем когда-либо прежде», сказал Майкельсон. «Любые пары, доступные в качестве прекурсоров для парофазной инфильтрации, могут быть объединены с различными солями металлов, совместимыми с жидкофазной инфильтрацией, для создания более сложных структур. Например, мы смогли объединить платину, алюминий и цинк поверх одной наноструктуры. Этот универсальный метод оказался чрезвычайно эффективным для создания 3D-наноструктур из самых разных составов материалов до такой степени, что удивил исследователей. Команда смогла создать 3D-наноструктуры, содержащие различные комбинации цинка, алюминия, меди, молибдена, вольфрама, индия, олова и платины. Это первая в своем роде демонстрация создания высокоструктурированных 3D-наноматериалов.

«Одна из самых удивительных вещей в этом эксперименте заключается в том, что мы смогли успешно произвести так много различных составов материалов наноструктур, используя идентичный протокол процесса, причем простым, воспроизводимым и надежным способом», сказал Майкельсон. «Обычно для подобных исследований вам нужно потратить значительное количество времени только на один класс материалов, пытаясь заставить его работать изо дня в день. Тогда как здесь почти все, что мы пробовали, сработало быстро, и в какой-то момент нам просто пришлось прекратить производство структур, потому что мы хотели об этом написать».

Пока не увижу, не поверю

Чтобы доказать успех этого метода для каждой разработанной ими наноструктуры, вплоть до мельчайшего уровня детализации, исследователи использовали опыт и средства визуализации мирового класса в CFN и Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II). NSLS-II это пользовательское учреждение Управления науки Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории, которое производит сверхяркие рентгеновские лучи для освещения физического, химического и электронного состава образцов на атомном уровне.

«Мы не только создали все эти наноструктуры, но и полностью охарактеризовали каждую из них, чтобы попытаться понять и обработать их дальше», сказал Майкельсон. «Изначально эти материалы могли существовать в каком-то промежуточном состоянии, которое мы могли бы в дальнейшем переработать до окончательного, более функционального и полезного состояния».

Есть несколько свойств, необходимых для создания полезных материалов для таких технологий, как полупроводниковые устройства. Для этого исследования исследователи придали электропроводность и фотоактивность 3D-наноструктурам. Например, они начали с изоляционного материала, а затем, с помощью нового метода сборки, направленного на ДНК, который включает в себя два метода инфильтрации, они добавили полупроводниковые оксиды металлов, такие как оксид цинка, чтобы наноструктура могла унаследовать его электропроводность и фотолюминесценцию. Наконец, образцы всех своих конечных продуктов они доставили в центры визуализации в Брукхейвенской лаборатории, чтобы оценить их объемный состав.

В CFN команда использовала установку электронной микроскопии для получения изображений их структур с высоким разрешением после инфильтрации в паровой фазе, инфильтрации в жидкой фазе и совмещения обоих методов для каждого использованного прекурсора. Они использовали комбинацию трансмиссионных электронных микроскопов и сканирующих электронных микроскопов, которые генерируют изображения с наноразмерным разрешением, анализируя, как электроны отражаются или проходят через образцы соответственно. Эти методы позволили исследователям создавать живописные изображения своих наноструктур и отображать их химические структуры с высокой точностью и на небольших участках образцов.

Чтобы получить трехмерное представление этой информации на больших площадях, команда использовала канал рассеяния сложных материалов (CMS) и канал жесткого рентгеновского нанозонда (HXN) в NSLS-II. CMS это партнерская линия, которой совместно управляют NSLS-II и CFN. Там исследователи направили сверхяркие рентгеновские лучи NSLS-II на свои образцы, наблюдая, как рентгеновские лучи рассеиваются, чтобы сделать вывод о трехмерном расположении атомов наноструктур. Тем временем компания HXN предоставила прямые 3D-изображения как структур, так и их химических «карт».

Исследователи использовали передовой метод HXN рентгеновскую нанотомографию, которая действует аналогично медицинской компьютерной томографии. Линия луча захватывает 180 2D-проекций образца, поворачивая его на один градус за раз. Затем компьютеры создают трехмерное изображение из серии проекций. Но в отличие от компьютерной томографии, HXN включает в себя нанозонд для захвата проекций с нанометровым разрешением.

«Такие химические детали невозможно уловить другими методами или каким-либо другим оборудованием», сказал соавтор Ханфэй Ян, ведущий научный сотрудник HXN. «И эта информация была очень важна для этого исследования из-за сложности наноструктур. Выявление распределения элементов помогло нам определить, был ли новый метод эффективным и полностью ли покрытия проникли в решетку».

Майкельсон сказал: «HXN предоставил нам пространственное и элементное разрешение, которого мы не могли достичь больше нигде. HXN помог нам подтвердить, что эти покрытия не только присутствовали на поверхностях материала, но и фактически были объемными по отношению к образцу». Ранее группа использовала этот метод для выявления трехмерной структуры решеток ДНК с разрешением одной частицы. Теперь этот метод позволил им выявить расположение металлических и полупроводниковых наноструктур глубоко внутри образца, что было важно для проверки точности и мощности их метода изготовления.

Подтвердив успех своего нового метода, CFN теперь будет работать над его применением в более сложных исследованиях и предлагать его приглашенным ученым. В качестве пользовательского объекта CFN предоставляет свои возможности и опыт «пользователям» по всей стране и по всему миру. Помощь в пользовательских экспериментах не только предоставляет сторонним исследователям инструменты, к которым у них обычно нет доступа, но и открывает двери для нового сотрудничества и научных идей, которые в противном случае никогда бы не были реализованы.

«Мы разрабатываем эти материалы и методы, и это интересно для наших собственных программ в CFN, но мы также хотели бы, чтобы пользователи использовали эти методы для своих собственных исследований», сказал Ганг. «Мы всегда стремимся расширять наши методы и привлекать новых исследователей к нашим разработкам. Мы хотим, чтобы наша работа принесла пользу более широкому научному сообществу, а не только лаборатории Брукхейвена».

Экосистема опыта и возможностей CFN, которая принесла пользу этому исследованию, также является выгодой для пользователей, и CFN постоянно расширяет свои предложения и делает их более доступными. Например, ученые стремятся внедрить новый метод исследования в один из новейших инструментов Центра робота, работающего с жидкостями.

«Разработка этих методов и публикация статей это лишь одна часть общей миссии CFN», сказал соавтор Джейсон Кан, научный сотрудник группы мягких и бионаноматериалов CFN. «Еще одна важная цель CFN сделать нашу работу и оборудование более доступными, а это означает разработку стандартного протокола для пользователей, позволяющего синтезировать материалы с высокой производительностью. Мы хотим, чтобы пользователи могли прийти к нам и сказать: «Я хочу сделать этот материал такой толщины, структуры и состава, чтобы получить эти особые свойства». Внедрение обработчика жидкости облегчит этот протокол».

CFN также изучает механические свойства наноматериалов, и материалы, подобные тем, которые разработаны в этой работе, обладают большим потенциалом для улучшения механических характеристик, как было недавно показано группой в другом исследовании.