p No trabalho que algum dia pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de dispositivos eletrônicos em nanoescala, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores do California Institute of Technology combinou o talento do DNA para a automontagem com as notáveis ​​propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono, sugerindo assim uma solução para o problema de longa data de organização de nanotubos de carbono em circuitos eletrônicos em nanoescala. p Um artigo sobre o trabalho apareceu em 8 de novembro na primeira edição online da Nature Nanotechnology .

p “Este projeto é um daqueles ótimos 'Onde mais senão no Caltech?' histórias, "diz Erik Winfree, professor associado de ciência da computação, computação e sistemas neurais, e bioengenharia na Caltech, e um dos quatro membros do corpo docente que supervisionam o projeto.

p Tanto a ideia inicial do projeto quanto sua eventual execução vieram de três alunos:Hareem T. Maune, um estudante de pós-graduação estudando física de nanotubos de carbono no laboratório de Marc Bockrath (então professor assistente de física aplicada da Caltech, agora na Universidade da Califórnia, Riverside); Si-ping Han, um teórico em ciência de materiais que está investigando as interações entre nanotubos de carbono e DNA no laboratório Caltech de William A. Goddard III, Charles e Mary Ferkel, Professor de Química, Ciência de materiais, e Física Aplicada; e Robert D. Barish, um graduando com especialização em ciência da computação que estava trabalhando na complexa automontagem de DNA no laboratório de Winfree.

p O projeto começou em 2005, logo depois que Paul W. K. Rothemund inventou sua revolucionária técnica de origami de DNA. No momento, Rothemund era um pós-doutorado no laboratório de Winfree; hoje, ele é um associado sênior de pesquisa em bioengenharia, Ciência da Computação, e sistemas de computação e neurais.

p O trabalho de Rothemund deu a Maune, Han, e Barish a ideia de usar origami de DNA para construir circuitos de nanotubos de carbono.

p Origami de DNA é um tipo de estrutura auto-montada feita de DNA que pode ser programada para formar formas e padrões quase ilimitados, como rostos sorridentes ou mapas do hemisfério ocidental ou mesmo diagramas elétricos. Explorando as propriedades de reconhecimento de sequência de pareamento de base de DNA, Origami de DNA são criados a partir de uma única fita longa de DNA viral e uma mistura de diferentes fitas curtas de DNA sintético que se ligam e "grampeiam" o DNA viral na forma desejada, normalmente cerca de 100 nanômetros (nm) em um lado.

p Nanotubos de carbono de parede única são tubos moleculares compostos por uma malha hexagonal enrolada de átomos de carbono. Com diâmetros medindo menos de 2 nm e ainda com comprimentos de muitos mícrons, eles têm a reputação de serem alguns dos mais fortes, mais condutora de calor, e a maioria dos materiais eletronicamente interessantes que são conhecidos. Por anos, pesquisadores têm tentado aproveitar suas propriedades únicas em dispositivos em nanoescala, mas organizá-los com precisão em padrões geométricos desejáveis ​​tem sido um grande obstáculo.

p "Depois de ouvir a palestra de Paul, Hareem ficou animado com a ideia de colocar nanotubos em origami, "Winfree lembra." Enquanto isso, Rob estava conversando com seu amigo Si-Ping, e eles independentemente ficaram entusiasmados com a mesma ideia. "

p Subjacente à empolgação dos alunos estava a esperança de que o origami de DNA pudesse ser usado como placas de ensaio moleculares de 100 nm por 100 nm - bases de construção para prototipar circuitos eletrônicos - nas quais os pesquisadores pudessem construir dispositivos sofisticados simplesmente projetando as sequências no origami para que nanotubos específicos anexar em posições pré-designadas.

p "Antes de falar com esses alunos, "Winfree continua, "Eu não tinha interesse em trabalhar com nanotubos de carbono ou em aplicar a experiência em engenharia de DNA do nosso laboratório para tais fins práticos. Mas, aparentemente do nada, uma equipe se montou com um espectro notável de habilidades e muito entusiasmo. Até Si-Ping, um teórico consumado, fui ao laboratório para ajudar a tornar a ideia realidade. "

p "Este projeto de pesquisa colaborativa é uma evidência de como nós da Caltech selecionamos os melhores alunos em ciências e engenharia e os colocamos em um ambiente onde sua criatividade e imaginação podem prosperar, "diz Ares Rosakis, cadeira da Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech e Theodore von Kármán Professor de Aeronáutica e professor de engenharia mecânica.

p Colocar em prática as ideias dos alunos não foi fácil. "A química do nanotubo de carbono é notoriamente difícil e confusa - as coisas são inteiramente de carbono, Afinal, por isso é extremamente difícil fazer uma reação acontecer em um átomo de carbono escolhido e não em todos os outros, "Winfree explica.

p "Essa dificuldade em agarrar quimicamente um nanotubo em uma 'alça' bem definida é a essência do problema quando você tenta colocar nanotubos onde deseja para que possa construir dispositivos e circuitos complexos, " ele diz.

p A solução engenhosa dos cientistas foi explorar a viscosidade do DNA de fita simples para criar as alças que faltavam. É essa viscosidade que une as duas fitas que compõem uma hélice de DNA, através do emparelhamento das bases de nucleotídeos do DNA (A, T, C, e G) com aqueles que têm sequências complementares (A com T, C com G).

p "O DNA é a molécula perfeita para reconhecer outras fitas de DNA, e DNA de fita simples também gosta de aderir a nanotubos de carbono, "diz Han." Então, nós misturamos nanotubos nus com moléculas de DNA em água salgada, e eles grudam nas superfícies dos nanotubos. Contudo, certificamo-nos de que um pouco de cada molécula de DNA está protegida, para que essa pequena porção não grude no nanotubo, e podemos usá-lo para reconhecer o DNA anexado ao origami de DNA. "

p Os cientistas criaram dois lotes de nanotubos de carbono marcados por DNA com sequências diferentes, que eles chamaram de "vermelho" e "azul".

p "Metaforicamente, mergulhamos um lote de nanotubos em tinta vermelha de DNA, e mergulhou outro lote de nanotubos em tinta azul de DNA, "Winfree diz. Incrivelmente, esta tinta de DNA atua como um velcro de cor específica.

p "Essas moléculas de DNA serviram como alças porque um par de moléculas de DNA de fita simples com sequências complementares se enrolam para formar uma dupla hélice. " ele diz, "o vermelho pode se ligar fortemente ao anti-vermelho, e azul com anti-azul. "

p "Consequentemente, " ele adiciona, "se desenharmos uma faixa de DNA anti-vermelho em uma superfície, e despeje os nanotubos revestidos de vermelho sobre ele, os nanotubos ficarão presos na linha. Mas os nanotubos revestidos de azul não aderem, porque eles seguem apenas uma linha anti-azul. "

p Para fazer circuitos eletrônicos em escala nanométrica a partir de nanotubos de carbono, é necessária a habilidade de desenhar faixas de DNA em escala nanométrica. Anteriormente, isso teria sido uma tarefa impossível. A invenção do origami de DNA de Rothemund, Contudo, tornou possível.

p "Um origami de DNA padrão é um retângulo com cerca de 100 nm de tamanho, com posições de mais de 200 'pixels' onde cadeias de DNA arbitrárias podem ser anexadas, "Winfree diz. Para integrar os nanotubos de carbono neste sistema, os cientistas coloriram alguns desses pixels anti-vermelhos, e outros anti-azul, efetivamente marcando as posições onde eles queriam que os nanotubos de cor correspondente ficassem. Eles então projetaram o origami de modo que os nanotubos marcados em vermelho cruzassem perpendicularmente aos nanotubos azuis, fazendo o que é conhecido como um transistor de efeito de campo (FET), um dos dispositivos mais básicos para a construção de circuitos semicondutores.

p Embora seu processo seja conceitualmente simples, os pesquisadores tiveram que resolver muitos problemas, como separar os feixes de nanotubos de carbono em moléculas individuais e anexar o DNA de fita simples; encontrar a proteção certa para essas fitas de DNA para que continuem sendo capazes de reconhecer seus parceiros no origami; e encontrar as condições químicas certas para a automontagem.

p Depois de cerca de um ano, a equipe colocou nanotubos cruzados com sucesso no origami; eles foram capazes de ver a travessia por meio de microscopia de força atômica. Esses sistemas foram removidos da solução e colocados em uma superfície, depois disso, cabos foram conectados para medir as propriedades elétricas do dispositivo. Quando o dispositivo simples da equipe foi conectado a eletrodos, na verdade, ele se comportou como um transistor de efeito de campo. O "efeito de campo" é útil porque "os dois componentes do transistor, o canal e o portão, não precisa realmente tocar para que haja um efeito de troca, "Rothemund explica." Um nanotubo de carbono pode mudar a condutividade do outro devido apenas ao campo elétrico que se forma quando uma voltagem é aplicada a ele. "

p Neste ponto, os pesquisadores estavam confiantes de que haviam criado um método que poderia construir um dispositivo a partir de uma mistura de nanotubos e origami.

p "Funcionou, "Winfree diz." Não posso dizer perfeitamente - há muito espaço para melhorias. Mas foi o suficiente para demonstrar a construção controlada de um dispositivo simples, uma junção cruzada de um par de nanotubos de carbono. "

p "Esperamos que nossa abordagem possa ser melhorada e estendida para construir de forma confiável circuitos mais complexos envolvendo nanotubos de carbono e talvez outros elementos, incluindo eletrodos e fiação, "Goddard diz, "que antecipamos irá fornecer novas maneiras de sondar o comportamento e as propriedades dessas moléculas notáveis."

p O verdadeiro benefício da abordagem, ele aponta, é que a automontagem não faz apenas um dispositivo de cada vez. "Esta é uma tecnologia escalonável. Ou seja, pode-se projetar o origami para construir unidades lógicas complexas e fazer isso por milhares, milhões ou bilhões de unidades que se automontam em paralelo. "

p Mais Informações: "Auto-montagem de nanotubos de carbono em geometrias bidimensionais usando modelos de origami de DNA, " Nature Nanotechnology .

p Fonte:California Institute of Technology (notícias:web)