布鲁克海文国家实验室 一幅插图展示了如何基于脱氧核糖核酸自组装来制造高度纳米化的三维超导材料
学分:布鲁克海文国家实验室 三维纳米结构材料——那些具有十亿分之一米大小的复杂形状的材料——可以在没有电阻的情况下导电，可以用于一系列量子器件
例如，这种三维超导纳米结构可以应用于信号放大器，以提高量子计算机和用于医学成像和地下地质测绘的超灵敏磁场传感器的速度和精度
然而，传统的制造工具，如平版印刷术，已经被限制在一维和二维纳米结构，如超导导线和薄膜
现在，美国的科学家
S
美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和以色列的巴尔-伊兰大学已经开发了一个平台，用于与指定的组织一起制作三维超导纳米结构
据11月的报道
10期《自然通讯》，这个平台是基于在纳米尺度上将脱氧核糖核酸自组装成所需的三维形状
在脱氧核糖核酸自组装中，一条长的脱氧核糖核酸链在特定的位置被较短的互补“短”链折叠——类似于日本的折纸艺术——折纸术
“由于其结构的可编程性，脱氧核糖核酸可以为构建设计的纳米结构提供一个组装平台，”合著者奥列格·冈(Oleg Gang)说，他是布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(CFN)软纳米材料和生物纳米材料小组的负责人，也是哥伦比亚工程大学化学工程、应用物理和材料科学的教授
“然而，脱氧核糖核酸的脆弱性使得它似乎不适合需要无机材料的功能器件制造和纳米制造
在这项研究中，我们展示了脱氧核糖核酸如何作为构建三维纳米结构的支架，这些结构可以完全“转化”成超导体等无机材料
" 为了制作这个支架，布鲁克海文和哥伦比亚工程科学家首先设计了八面体形状的脱氧核糖核酸折纸“框架”
“艾伦·迈克尔逊，冈的研究生，应用了一种基因可编程策略，这样这些框架就可以组装成想要的格子
然后，他用化学技术在脱氧核糖核酸晶格上涂上二氧化硅，固化了原本柔软的结构，这需要一个液体环境来保存它们的结构
该团队对制造过程进行了调整，使结构符合设计要求，这一点得到了CFN电子显微镜设备成像和布鲁克黑文国家同步加速器光源二号(NSLS二号)复杂材料散射光束线小角度x光散射的证实
这些实验表明，在它们包被了脱氧核糖核酸晶格后，结构的完整性得到了保持
“在最初的形式中，脱氧核糖核酸完全不能用传统的纳米技术方法进行处理，”冈说
“但是一旦我们用二氧化硅覆盖了脱氧核糖核酸，我们就有了一个机械坚固的三维结构，可以用这些方法沉积无机材料
这类似于传统的纳米制造，将有价值的材料沉积在平坦的衬底上，通常是硅，以增加功能
" 该团队将涂有二氧化硅的脱氧核糖核酸晶格从CFN运送到巴尔-伊兰超导研究所，该研究所由尤西·耶舒伦领导
几年前，当冈发表了一个关于他的DNA组装研究的研讨会时，冈和耶舒伦认识了
叶舒伦在过去十年里一直在研究纳米尺度上超导的特性，他认为冈的基于DNA的方法可以为他试图解决的一个问题提供解决方案:我们如何在三维空间中制造超导纳米结构？ “以前，制造三维纳米超导材料需要使用传统的制造技术，这是一个非常复杂和困难的过程，”合作作者耶舒伦说
“在这里，我们发现了一种使用奥列格的DNA结构的相对简单的方法
" 在超导研究所，叶舒伦的研究生里尔·妮莎将一种低温超导体(铌)蒸发到一个含有少量晶格样本的硅片上
必须小心控制蒸发速率和硅衬底温度，以使铌覆盖样品，但不会完全穿透
如果发生这种情况，用于电子传输测量的电极之间可能会发生短路
“我们在基底上切割了一个特殊的通道，以确保电流只能通过样本本身，”耶舒伦解释说
测量揭示了约瑟夫森结的三维阵列，即超导电流通过的薄非超导势垒
约瑟夫森结阵列是在实际技术中利用量子现象的关键，例如用于磁场传感的超导量子干涉器件
在三维空间中，可以将更多的结封装到一个小体积中，从而提高设备功率
“近15年来，脱氧核糖核酸折纸一直在产生美丽华丽的三维纳米结构，但脱氧核糖核酸本身并不一定是一种有用的功能材料，”美国大学材料设计项目经理埃文·朗纳斯特罗姆说
S
美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室
S
部分资助这项工作的陆军研究办公室
“什么教授
刚在这里展示了你可以利用脱氧核糖核酸折纸作为模板来创建有用的功能材料的三维纳米结构，比如超导铌
这种自下而上任意设计和制造复杂三维结构功能材料的能力将加速陆军在传感、光学和量子计算等领域的现代化努力
" “我们展示了一种途径，可以用复杂的脱氧核糖核酸组织来制造高度纳米结构的三维超导材料，”冈说
“这种材料转换途径使我们有能力制造各种具有有趣特性的系统——不仅是超导性，还有其他电子、机械、光学和催化特性
我们可以把它想象成一种“分子平版印刷术”，在这种技术中，脱氧核糖核酸可编程性的力量被转移到三维无机纳米制造中
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
