用DNA制造3D超导纳米结构

该图显示了如何基于DNA自组装产生高度纳米结构的3-D超导材料。

基于DNA自组装的复杂3D纳米级架构可以无阻力地导电，并且可以为制造量子计算和传感设备提供平台

可以在无电阻的情况下导电的三维（3-D）纳米结构材料（形状复杂，尺寸规模达十亿分之一米的材料）可以在多种量子器件中使用。例如，这种3-D超导纳米结构可以在信号放大器中找到应用，以提高用于医学成像和地下地质测绘的量子计算机和超灵敏磁场传感器的速度和准确性。但是，传统的制造工具（如光刻）仅限于1-D和2-D纳米结构，如超导线和薄膜。

现在，来自美国能源部（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的科学家们开发了一个平台，该平台可通过指定的组织生产3D超导纳米体系结构。如2020年11月10日发行的自然通信中所报道的那样，该平台基于将DNA自组装成所需的纳米级3D形状的平台。在DNA自组装中，一条长链DNA在特定位置被较短的互补“钉书钉”链折叠-类似于日本的纸折纸技术折纸。

Brookhaven实验室功能纳米材料中心（CFN）的软与生物纳米材料小组负责人，化学教授，共同通讯作者Oleg Gang说：“由于其结构的可编程性，DNA可以为构建设计的纳米结构提供一个组装平台。”哥伦比亚工程学院的工程学和应用物理与材料科学专业。“但是，DNA的脆弱性使其似乎不适用于需要无机材料的功能设备制造和纳米制造。在这项研究中，我们展示了DNA如何用作构建3-D纳米级结构的支架，该结构可以完全“转化”为无机材料，例如超导体。

为了制作支架，布鲁克海文和哥伦比亚工程学院的科学家首先设计了八面体形状的DNA折纸“框架”。Gang的研究生Aaron Michelson应用了DNA可编程策略，以便将这些框架组装成所需的晶格。然后，他使用化学技术用二氧化硅（二氧化硅）包被DNA晶格，固化了最初柔软的结构，这需要液态环境来保持其结构。该团队量身定制了制造工艺，以使结构符合其设计要求，这一点已通过CFN电子显微镜工厂的成像以及布鲁克海文国家同步加速器光源II（NSLS-II）在复杂材料散射光束线上的小角度X射线散射得到了证实。 ）。这些实验表明，涂覆DNA晶格后，结构完整性得以保留。

Gang说：“ DNA原始形式完全不能用于传统的纳米技术方法中。”“但是一旦我们用二氧化硅包被DNA，我们就拥有了机械坚固的3-D结构，我们可以使用这些方法沉积无机材料。这类似于传统的纳米制造，在传统的纳米制造中，将有价值的材料沉积到通常为硅的平坦基板上，以增加功能。”

该小组将CFN上涂有二氧化硅涂层的DNA晶格运到由Yosi Yeshurun领导的Bar-Ilan超导研究所。Gang和Yeshurun在几年前结识了，当时Gang举行了有关他的DNA组装研究的研讨会。耶苏伦-过去十年来一直在研究纳米级的超导电性-认为Gang的基于DNA的方法可以为他试图解决的问题提供解决方案：我们如何在三个维度上制造超导纳米尺度结构？

“以前，使用常规制造技术制造3-D纳米超导体涉及非常复杂且困难的过程，”共同通讯作者叶舒伦（Yeshurun）说。“在这里，我们发现了使用Oleg的DNA结构的相对简单的方法。”

在超导研究所，耶苏伦大学的研究生Lior Shani将低温超导体（铌）蒸发到了包含少量晶格样品的硅芯片上。必须仔细控制蒸发速率和硅衬底温度，以使铌覆盖样品，但不会完全渗透。如果发生这种情况，则在用于电子传输测量的电极之间可能会发生短路。

Yeshurun解释说：“我们在基板上切出了一个特殊的通道，以确保电流只会流过样品本身。”

测量结果显示了约瑟夫逊结的3维阵列，即超导电流隧道穿过的薄的非超导势垒。约瑟夫逊结的阵列是在实际技术中利用量子现象的关键，例如用于磁场感应的超导量子干涉装置。在3-D中，可以将更多的结封装成一个小体积，从而增加了器件功率。

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究部材料设计项目经理埃文·特伦斯特罗姆（Evan Runnerstrom）表示：“ DNA折纸已经生产出了精美而华丽的3-D纳米结构，但DNA本身并不一定是有用的功能材料。”美国陆军研究办公室的实验室，部分资助了这项工作。“冈教授在这里展示的是，您可以利用DNA折纸作为模板来创建功能材料（如超导铌）的有用的3-D纳米结构。这种自下而上的任意设计和制造复杂的3D结构功能材料的能力将加快陆军在传感，光学和量子计算等领域的现代化工作。”

Gang说：“我们展示了如何使用复杂的DNA组织来创建高度纳米结构的3-D超导材料的途径。”“这种材料转化途径使我们能够制造出具有有趣特性的各种系统-不仅具有超导性，还具有其他电子，机械，光学和催化特性。我们可以将其想象为“分子光刻”，其中DNA可编程能力转移到了3D无机纳米制造中。

参考：Lior Shani，Aaron N.Michelson，Brian Minevich，Yafit Fleger，Michael Stern，Avner Shaulov，Yosef Yeshurun和Oleg Gang的“ DNA组装的超导3D纳米结构”，2020年11月10日，自然通信。DOI：
10.1038 / s41467-020-19439-9

这项研究得到了美国国防部陆军研究办公室的支持；美国能源部科学办公室；以色列科学技术部；和以色列科学基金会。CFN和NSLS-II都是美国能源部科学用户设施办公室。纽约市大学先进科学研究中心的影像设施进行了一些影像研究。