Pembuatan Nanosuperconductors 3-D dengan DNA

Pembuatan Nanosuperconductors 3-D dengan DNA


Newswise – UPTON, NY — Material berstruktur nano tiga dimensi (3-D) —bentuk kompleks dengan skala ukuran sepersejuta meter — yang dapat menghantarkan listrik tanpa hambatan dapat digunakan di berbagai perangkat kuantum. Sebagai contoh, struktur nano superkonduktor 3-D dapat diterapkan dalam penguat sinyal untuk meningkatkan kecepatan dan akurasi komputer kuantum dan sensor medan magnet ultrasensitif untuk pencitraan medis dan pemetaan geologi bawah permukaan. Namun, alat fabrikasi tradisional seperti litografi telah dibatasi pada struktur nano 1-D dan 2-D seperti kabel superkonduktor dan film tipis.

Sekarang, para ilmuwan dari Laboratorium Nasional Brookhaven National Department of Energy (DOE), Columbia University, dan Bar-Ilan University di Israel telah mengembangkan platform untuk membuat arsitektur nano superkonduktor 3-D dengan organisasi yang ditentukan. Sebagaimana dilaporkan dalam edisi 10 November Komunikasi Alam, platform ini didasarkan pada perakitan mandiri DNA menjadi bentuk 3-D yang diinginkan pada skala nano. Dalam perakitan-sendiri DNA, satu untai panjang DNA dilipat oleh untaian “pokok” pelengkap yang lebih pendek di lokasi tertentu — mirip dengan origami, seni melipat kertas di Jepang.

“Karena programabilitas strukturalnya, DNA dapat menyediakan platform perakitan untuk membangun struktur nano yang dirancang,” kata Oleg Gang, pemimpin Grup Bahan Nano Lembut dan Bio di Pusat Bahan Nanomaterial Fungsional (CFN) Lab Brookhaven dan seorang profesor kimia. teknik dan fisika terapan dan ilmu material di Columbia Engineering. “Namun, kerapuhan DNA membuatnya tampak tidak cocok untuk fabrikasi perangkat fungsional dan manufaktur nano yang membutuhkan bahan anorganik. Dalam studi ini, kami menunjukkan bagaimana DNA dapat berfungsi sebagai perancah untuk membangun arsitektur skala nano 3-D yang dapat sepenuhnya “diubah” menjadi bahan anorganik seperti superkonduktor. ”

Untuk membuat perancah, para ilmuwan Brookhaven dan Columbia Engineering pertama-tama merancang “bingkai” origami DNA berbentuk oktahedral. Aaron Michelson, mahasiswa pascasarjana Gang, menerapkan strategi yang dapat diprogram DNA sehingga bingkai-bingkai ini akan berkumpul menjadi kisi-kisi yang diinginkan. Kemudian, dia menggunakan teknik kimia untuk melapisi kisi DNA dengan silikon dioksida (silika), memperkuat konstruksi yang awalnya lunak, yang membutuhkan lingkungan cair untuk mempertahankan strukturnya. Tim menyesuaikan proses fabrikasi sehingga struktur sesuai dengan desain mereka, seperti yang dikonfirmasi oleh pencitraan di Fasilitas Mikroskopi Elektron CFN dan hamburan sinar-X sudut kecil di Garis Berkas Hamburan Bahan Kompleks dari Sumber Cahaya Sinkronron Nasional II Brookhaven’s National Synchrotron Light (NSLS-II ). Eksperimen ini menunjukkan bahwa integritas struktural dipertahankan setelah mereka melapisi kisi DNA.

“Dalam bentuk aslinya, DNA sama sekali tidak dapat digunakan untuk diproses dengan metode nanoteknologi konvensional,” kata Gang. “Tapi begitu kami melapisi DNA dengan silika, kami memiliki arsitektur 3-D yang kuat secara mekanis sehingga kami dapat menyimpan bahan anorganik dengan menggunakan metode ini. Ini serupa dengan manufaktur nano tradisional, di mana bahan berharga disimpan ke substrat datar, biasanya silikon, untuk menambah fungsionalitas. “

Tim mengirimkan kisi DNA berlapis silika dari CFN ke Institut Superkonduktivitas Bar-Ilan, yang dikepalai oleh Yosi Yeshurun. Gang dan Yeshurun ​​berkenalan beberapa tahun yang lalu, ketika Gang menyampaikan seminar tentang penelitian perakitan DNA-nya. Yeshurun ​​— yang selama dekade terakhir telah mempelajari sifat-sifat superkonduktivitas di skala nano — mengira bahwa pendekatan berbasis DNA Gang dapat memberikan solusi untuk masalah yang dia coba pecahkan: Bagaimana kita dapat membuat struktur skala nano superkonduktor dalam tiga dimensi?

“Sebelumnya, pembuatan nanosuperconductors 3-D melibatkan proses yang sangat rumit dan sulit menggunakan teknik fabrikasi konvensional,” kata Yeshurun, rekan penulis. “Di sini, kami menemukan cara yang relatif sederhana menggunakan struktur DNA Oleg.”

Di Institut Superkonduktivitas, mahasiswa pascasarjana Yeshurun ​​Lior Shani menguapkan superkonduktor suhu rendah (niobium) ke dalam chip silikon yang berisi sampel kecil kisi-kisi. Laju penguapan dan suhu substrat silikon harus dikontrol dengan hati-hati agar niobium melapisi sampel tetapi tidak menembus seluruhnya. Jika itu terjadi, bisa terjadi hubungan pendek antara elektroda yang digunakan untuk pengukuran transpor elektronik.

“Kami memotong saluran khusus di substrat untuk memastikan bahwa arus hanya akan melewati sampel itu sendiri,” jelas Yeshurun.

Pengukuran menunjukkan susunan 3-D dari persimpangan Josephson, atau penghalang non-konduktor tipis yang melaluinya terowongan arus superkonduktor. Array persimpangan Josephson adalah kunci untuk memanfaatkan fenomena kuantum dalam teknologi praktis, seperti perangkat interferensi kuantum superkonduktor untuk penginderaan medan magnet. Dalam 3-D, lebih banyak persimpangan dapat dikemas ke dalam volume kecil, meningkatkan daya perangkat.

“Origami DNA telah menghasilkan struktur nano 3-D yang indah dan berornamen selama hampir 15 tahun, tetapi DNA itu sendiri belum tentu merupakan materi fungsional yang berguna,” kata Evan Runnerstrom, manajer program untuk desain material di US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratorium Kantor Riset Angkatan Darat AS, yang mendanai sebagian pekerjaan itu. “Apa yang ditunjukkan Prof. Gang di sini adalah bahwa Anda dapat memanfaatkan origami DNA sebagai templat untuk membuat struktur nano 3-D yang berguna dari bahan fungsional, seperti niobium superkonduktor. Kemampuan untuk secara sewenang-wenang merancang dan membuat material fungsional terstruktur 3-D yang kompleks dari bawah ke atas akan mempercepat upaya modernisasi Angkatan Darat di berbagai bidang seperti penginderaan, optik, dan komputasi kuantum. ”

“Kami mendemonstrasikan jalur bagaimana organisasi DNA yang kompleks dapat digunakan untuk membuat bahan superkonduktor 3-D berstruktur nano,” kata Gang. “Jalur konversi material ini memberi kami kemampuan untuk membuat berbagai sistem dengan properti yang menarik — tidak hanya superkonduktivitas tetapi juga properti elektronik, mekanis, optik, dan katalitik lainnya. Kita dapat membayangkannya sebagai “litografi molekuler”, di mana kekuatan kemampuan program DNA ditransfer ke fabrikasi nano anorganik 3-D. “

Penelitian ini didukung oleh Departemen Pertahanan AS, Kantor Riset Angkatan Darat; DOE Office of Science; Kementerian Sains dan Teknologi Israel; dan Israel Science Foundation. Baik CFN dan NSLS-II adalah DOE Office of Science User Facilities. Beberapa studi pencitraan dilakukan di Fasilitas Pencitraan dari Pusat Penelitian Sains Lanjutan Universitas Kota New York.

Laboratorium Nasional Brookhaven didukung oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS. Office of Science adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat dan bekerja untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https://energy.gov/science.

Ikuti @BrookhavenLab di Indonesia atau temukan kami di Facebook.

Teknik Columbia

Columbia Engineering, yang berbasis di New York City, adalah salah satu sekolah teknik terbaik di AS dan salah satu yang tertua di negara ini. Juga dikenal sebagai The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, School memperluas pengetahuan dan memajukan teknologi melalui penelitian perintis di lebih dari 220 fakultasnya, sambil mendidik mahasiswa sarjana dan pascasarjana dalam lingkungan kolaboratif untuk menjadi pemimpin yang diinformasikan oleh landasan yang kokoh di teknik. Fakultas Sekolah berada di pusat penelitian lintas disiplin Universitas, berkontribusi pada Data Science Institute, Earth Institute, Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, Precision Medicine Initiative, dan Columbia Nano Initiative. Dipandu oleh visi strategisnya, “Teknik Columbia untuk Kemanusiaan”, Sekolah ini bertujuan untuk menerjemahkan ide menjadi inovasi yang mendorong kemanusiaan yang berkelanjutan, sehat, aman, terhubung, dan kreatif.


Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author