三维纳米结构材料具有十亿分之一米大小尺度的复杂形状

三维 (3-D) 纳米结构材料——具有十亿分之一米大小尺度的复杂形状——可以在没有电阻的情况下导电，可用于一系列量子设备。例如，这种 3-D 超导纳米结构可以应用于信号放大器，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。然而，传统的制造工具(如光刻)仅限于一维和二维纳米结构，如超导线和薄膜。

现在，来自能源部 (DOE) 布鲁克海文实验室、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，用于制造具有指定组织的 3-D 超导纳米结构。正如在 11 月 10 日发表的Nature Communications 上所报道的那样，该平台基于将 DNA 自组装成所需的纳米级 3-D 形状。在 DNA 自组装中，单长 DNA 链在特定位置被较短的互补“主食”链折叠——类似于的折纸艺术。

“由于其结构可编程性，DNA 可以为构建设计的纳米结构提供组装平台，”共同通讯作者、布鲁克海文实验室功能纳米材料中心 (CFN) 软和生物纳米材料组组长、化学教授 Oleg Gang 说。哥伦比亚工程学院的工程和应用物理和材料科学。“然而，DNA 的脆弱性使其似乎不适合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 如何作为构建 3-D 纳米级架构的支架，这些架构可以完全“转换”为无机材料，如超导体。”

为了制作支架，布鲁克海文和哥伦比亚工程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应用了一种 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包裹 DNA 晶格(二氧化硅)，固化原本柔软的结构，这需要液体环境来保持其结构。该团队对制造过程进行了定制，使结构符合他们的设计，这通过 CFN 电子显微镜设施的成像和布鲁克海文同步加速器光源 II (NSLS-II) 复杂材料散射光束线的小角度 X 射线散射得到证实。 )。这些实验表明，在它们涂覆 DNA 晶格后，结构完整性得以保持。

“在其原始形式中，DNA 完全无法用于传统纳米技术方法的处理，”Gang 说。“但是一旦我们用二氧化硅涂覆 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将无机材料沉积在上面。这类似于传统的纳米制造，其中有价值的材料沉积在平坦的基材上，通常是硅，添加功能。”

该团队将二氧化硅涂层的 DNA 晶格从 CFN 运送到由 Yosi Yeshurun 领导的 Bar-Ilan 超导研究所。Gang 和 Yeshurun 几年前就认识了，当时 Gang 举办了一场关于他的 DNA 组装研究的研讨会。Yeshurun——过去十年一直在研究纳米级超导特性——认为 Gang 基于 DNA 的方法可以为他试图解决的问题提供解决方案：我们如何制造三维超导纳米结构?

“以前，使用传统制造技术制造 3-D 纳米超导体涉及一个非常复杂和困难的过程，”共同通讯作者 Yeshurun 说。“在这里，我们发现了一种使用 Oleg 的 DNA 结构的相对简单的方法。”

在超导研究所，Yeshurun 的研究生 Lior Shani 将低温超导体(铌)蒸发到含有少量晶格样本的硅芯片上。必须仔细控制蒸发速率和硅衬底温度，以便铌涂覆样品但不会完全渗透。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。

“我们在基板上切割了一个特殊的通道，以确保电流只会通过样品本身，” Yeshurun 解释说。

测量结果显示了约瑟夫森结的 3-D 阵列，或超导电流隧道通过的薄非超导屏障。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装置。在 3-D 中，更多的结可以封装在一个小体积中，从而增加器件功率。

陆军作战能力发展司令部陆军研究部材料设计项目经理 Evan Runnerstrom 说：“近 15 年来，DNA 折纸一直在生产美丽华丽的 3D 纳米级结构，但 DNA 本身并不一定是有用的功能材料。”陆军研究办公室的实验室，部分资助了这项工作。“Gang 教授在这里展示的是，你可以利用 DNA 折纸作为模板来创建有用的功能材料 3-D 纳米结构，如超导铌。这种从材料中任意设计和制造复杂 3-D 结构功能材料的能力。自下而上将加速陆军在传感、光学和量子计算等领域的现代化工作。”

“我们展示了如何使用复杂的 DNA 组织来制造高度纳米结构的 3-D 超导材料的途径，”Gang 说。“这种材料转换途径使我们能够制造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。我们可以将其设想为“分子光刻”，其中DNA 可编程性被转移到 3-D 无机纳米制造。”

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