Les matériaux nanostructurés tridimensionnels (3D) - ceux avec des formes complexes à une échelle de taille de milliardièmes de mètre - qui peuvent conduire l'électricité sans résistance pourraient être utilisés dans une gamme de dispositifs quantiques. Par exemple, de telles nanostructures supraconductrices en 3D pourraient trouver une application dans les amplificateurs de signaux pour améliorer la vitesse et la précision des ordinateurs quantiques et des capteurs de champ magnétique ultrasensibles pour l'imagerie médicale et la cartographie géologique souterraine. Cependant, les outils de fabrication traditionnels tels que la lithographie ont été limités aux nanostructures 1D et 2D comme les fils supraconducteurs et les films minces.

Maintenant, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Université de Columbia, et l'Université Bar-Ilan en Israël ont développé une plate-forme pour créer des nano-architectures supraconductrices en 3D avec une organisation prescrite. Comme indiqué dans le numéro du 10 novembre de Communication Nature, cette plate-forme est basée sur l'auto-assemblage d'ADN dans les formes 3D souhaitées à l'échelle nanométrique. Dans l'auto-assemblage de l'ADN, un seul long brin d'ADN est replié par des brins « de base » complémentaires plus courts à des emplacements spécifiques, similaires à l'origami, l'art japonais du pliage du papier.

"En raison de sa programmabilité structurelle, L'ADN peut fournir une plate-forme d'assemblage pour la construction de nanostructures conçues, " a déclaré l'auteur co-correspondant Oleg Gang, chef du groupe Soft and Bio Nanomaterials au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) et professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à Columbia Engineering. "Toutefois, la fragilité de l'ADN le rend inadapté à la fabrication de dispositifs fonctionnels et à la nanofabrication qui nécessitent des matériaux inorganiques. Dans cette étude, nous avons montré comment l'ADN peut servir d'échafaudage pour la construction d'architectures à l'échelle nanométrique en 3D qui peuvent être entièrement « converties » en matériaux inorganiques comme les supraconducteurs. »

Pour faire l'échafaud, les scientifiques de Brookhaven et de Columbia Engineering ont d'abord conçu des "cadres" d'origami d'ADN de forme octaédrique. Aaron Michelson, Étudiant diplômé de Gang, appliqué une stratégie programmable par l'ADN afin que ces cadres s'assemblent en réseaux souhaités. Puis, il a utilisé une technique chimique pour enrober les réseaux d'ADN de dioxyde de silicium (silice), solidifier les constructions initialement molles, qui nécessitaient un environnement liquide pour préserver leur structure. L'équipe a adapté le processus de fabrication pour que les structures soient fidèles à leur conception, comme confirmé par l'imagerie à l'installation de microscopie électronique du CFN et la diffusion des rayons X aux petits angles sur la ligne de faisceaux de diffusion des matériaux complexes de la source de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II) de Brookhaven. Ces expériences ont démontré que l'intégrité structurelle était préservée après avoir recouvert les réseaux d'ADN.

« Dans sa forme originale, L'ADN est totalement inutilisable pour le traitement avec des méthodes conventionnelles de nanotechnologie, " a déclaré Gang. "Mais une fois que nous enduisons l'ADN de silice, nous avons une architecture 3D mécaniquement robuste sur laquelle nous pouvons déposer des matériaux inorganiques en utilisant ces méthodes. Ceci est analogue à la nanofabrication traditionnelle, dans lequel des matériaux précieux sont déposés sur des substrats plats, typiquement du silicium, pour ajouter des fonctionnalités."

L'équipe a expédié les réseaux d'ADN recouverts de silice du CFN à l'Institut de supraconductivité de Bar-Ilan, qui est dirigé par Yosi Yeshurun. Gang et Yeshurun ​​se sont rencontrés il y a quelques années, quand Gang a donné un séminaire sur ses recherches sur l'assemblage d'ADN. Yeshurun, qui au cours de la dernière décennie a étudié les propriétés de la supraconductivité à l'échelle nanométrique, pensait que l'approche basée sur l'ADN de Gang pourrait apporter une solution à un problème qu'il essayait de résoudre :comment pouvons-nous fabriquer des structures supraconductrices à l'échelle nanométrique en trois dimensions ?

"Précédemment, la fabrication de nanosupraconducteurs 3-D impliquait un processus très élaboré et difficile en utilisant des techniques de fabrication conventionnelles, " dit Yeshurun, auteur co-correspondant. "Ici, nous avons trouvé un moyen relativement simple d'utiliser les structures d'ADN d'Oleg."

A l'Institut de supraconductivité, L'étudiant diplômé de Yeshurun, Lior Shani, a évaporé un supraconducteur à basse température (niobium) sur une puce de silicium contenant un petit échantillon des réseaux. Le taux d'évaporation et la température du substrat de silicium ont dû être soigneusement contrôlés afin que le niobium recouvre l'échantillon mais ne pénètre pas complètement. Si cela arrivait, un court-circuit pourrait se produire entre les électrodes utilisées pour les mesures électroniques de transport.

"Nous avons découpé un canal spécial dans le substrat pour garantir que le courant ne passerait que par l'échantillon lui-même, " expliqua Yeshurun.

Les mesures ont révélé un réseau 3-D de jonctions Josephson, ou de minces barrières non supraconductrices traversées par des tunnels de courant supraconducteur. Les réseaux de jonctions Josephson sont essentiels pour tirer parti des phénomènes quantiques dans les technologies pratiques, tels que les dispositifs supraconducteurs d'interférence quantique pour la détection de champ magnétique. En 3D, plus de jonctions peuvent être emballées dans un petit volume, augmenter la puissance de l'appareil.

"L'origami d'ADN produit de belles et ornées structures nanométriques en 3D depuis près de 15 ans, mais l'ADN lui-même n'est pas nécessairement un matériau fonctionnel utile, " a déclaré Evan Runnerstrom, responsable de programme pour la conception de matériaux au U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory du U.S. Army Research Office, qui a financé en partie les travaux. "Ce que le professeur Gang a montré ici, c'est que vous pouvez utiliser l'origami d'ADN comme modèle pour créer des nanostructures 3D utiles de matériaux fonctionnels, comme le niobium supraconducteur. Cette capacité à concevoir et à fabriquer arbitrairement des matériaux fonctionnels complexes structurés en 3-D de bas en haut accélérera les efforts de modernisation de l'armée dans des domaines tels que la détection, optique, et l'informatique quantique."

« Nous avons démontré une voie permettant d'utiliser des organisations d'ADN complexes pour créer des matériaux supraconducteurs 3D hautement nanostructurés, " a déclaré Gang. " Cette voie de conversion de matériau nous donne la possibilité de créer une variété de systèmes avec des propriétés intéressantes - non seulement la supraconductivité mais aussi d'autres systèmes électroniques, mécanique, optique, et propriétés catalytiques. On peut l'envisager comme une « lithographie moléculaire, « où la puissance de la programmabilité de l'ADN est transférée à la nanofabrication inorganique en 3D. »