p Pesquisadores de engenharia da Columbia, trabalhando com o Laboratório Nacional de Brookhaven, relatam hoje que construíram materiais 3D baseados em nanopartículas projetados que podem suportar o vácuo, temperaturas altas, alta pressão, e alta radiação. Este novo processo de fabricação resulta em estruturas em nanoescala robustas e totalmente projetadas que não só podem acomodar uma variedade de tipos de nanopartículas funcionais, mas também podem ser rapidamente processadas com métodos convencionais de nanofabricação. p "Esses materiais à base de nanopartículas automontadas são tão resistentes que poderiam voar no espaço, "diz Oleg Gang, professor de engenharia química e de física aplicada e ciência dos materiais, que liderou o estudo publicado hoje por Avanços da Ciência . "Fomos capazes de fazer a transição das arquiteturas de nanopartículas de DNA 3D do estado líquido - e de um material flexível - para o estado sólido, onde a sílica reforça os struts de DNA. Este novo material mantém totalmente sua arquitetura original de estrutura de rede de nanopartículas de DNA, essencialmente criando uma réplica inorgânica 3D. Isso nos permitiu explorar - pela primeira vez - como esses nanomateriais podem lutar contra condições adversas, como eles se formam, e quais são suas propriedades. "

p As propriedades dos materiais são diferentes em nanoescala e os pesquisadores há muito tempo exploram como usar esses materiais minúsculos - 1, 000 a 10, 000 vezes menor do que a espessura de um cabelo humano - em todos os tipos de aplicações, desde a fabricação de sensores para telefones até a construção de chips mais rápidos para laptops. Técnicas de fabricação, Contudo, têm sido desafiadores na realização de nanoarquiteturas 3D. A nanotecnologia de DNA permite a criação de materiais organizados de forma complexa a partir de nanopartículas por meio de automontagem, mas dada a natureza suave e dependente do ambiente do DNA, tais materiais podem ser estáveis ​​apenas sob uma faixa estreita de condições. Em contraste, os materiais recém-formados agora podem ser usados ​​em uma ampla gama de aplicações onde essas estruturas projetadas são necessárias. Enquanto a nanofabricação convencional se destaca na criação de estruturas planas, O novo método da Gang permite a fabricação de nanomateriais 3D que estão se tornando essenciais para tantos eletrônicos, óptico, e aplicações de energia.

p Gangue, que tem uma nomeação conjunta como líder de grupo do Soft and Bio Nanomaterials Group no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials, está na vanguarda da nanotecnologia de DNA, que se baseia em dobrar a cadeia de DNA em nanoestruturas bidimensionais e tridimensionais desejadas. Essas nanoestruturas tornam-se blocos de construção que podem ser programados por meio de interações Watson-Crick para se automontar em arquiteturas 3D. Seu grupo projeta e forma essas nanoestruturas de DNA, integra-os com nanopartículas e direciona a montagem de materiais baseados em nanopartículas direcionados. E, agora, com esta nova técnica, a equipe pode fazer a transição desses materiais de macios e frágeis para sólidos e robustos.

p Este novo estudo demonstra um método eficiente para converter redes de nanopartículas de DNA 3D em réplicas de sílica, ao mesmo tempo em que mantém a topologia das conexões interpartículas por struts de DNA e a integridade da organização das nanopartículas. A sílica funciona bem porque ajuda a reter a nanoestrutura da rede de DNA pai, forma um elenco robusto do DNA subjacente e não afeta os arranjos de nanopartículas.

p "O DNA nessas redes assume as propriedades da sílica, "diz Aaron Michelson, um Ph.D. aluno do grupo de Gang. "Ele se torna estável ao ar e pode ser seco e permite a análise 3D em nanoescala do material pela primeira vez no espaço real. Além disso, a sílica fornece força e estabilidade química, é de baixo custo e pode ser modificado conforme necessário - é um material muito conveniente. "

p Para saber mais sobre as propriedades de suas nanoestruturas, a equipe expôs as redes de nanopartículas de DNA convertidas em sílica a condições extremas:altas temperaturas acima de 1, 0000C e altas tensões mecânicas sobre 8GPa (cerca de 80, 000 vezes mais do que a pressão atmosférica, ou 80 vezes mais do que no lugar mais profundo do oceano, a trincheira de Mariana), e estudou esses processos in-situ. Para avaliar a viabilidade das estruturas para aplicações e outras etapas de processamento, os pesquisadores também os expuseram a altas doses de radiação e feixes de íons focalizados.

p "Nossa análise da aplicabilidade dessas estruturas para se acoplar às técnicas tradicionais de nanofabricação demonstra uma plataforma verdadeiramente robusta para gerar nanomateriais resilientes por meio de abordagens baseadas em DNA para descobrir suas novas propriedades, "Notas de gangue." Este é um grande passo em frente, já que essas propriedades específicas significam que podemos usar nossa montagem de nanomateriais 3D e ainda acessar toda a gama de etapas de processamento de materiais convencionais. Esta integração de métodos novos e convencionais de nanofabricação é necessária para alcançar avanços na mecânica, eletrônicos, plasmônica, fotônica, supercondutividade, e materiais de energia. "

p Colaborações baseadas no trabalho de Gang já levaram a uma nova supercondutividade e conversão da sílica em meio condutor e semicondutor para processamento posterior. Estes incluem um estudo anterior publicado por Nature Communications e um publicado recentemente por Nano Letras . Os pesquisadores também planejam modificar a estrutura para fazer uma ampla gama de materiais com propriedades mecânicas e ópticas altamente desejáveis.

p "Os computadores são feitos com silício há mais de 40 anos, "Gang acrescenta." Demorou quatro décadas para reduzir a fabricação para cerca de 10 nm para estruturas planas e dispositivos. Agora podemos fazer e montar nanoobjetos em um tubo de ensaio em algumas horas sem ferramentas caras. Oito bilhões de conexões em uma única rede agora podem ser orquestradas para se automontar por meio de processos em nanoescala que podemos projetar. Cada conexão pode ser um transistor, um sensor, ou um emissor óptico - cada um pode ser um bit de dados armazenado. Enquanto a lei de Moore está desacelerando, a programabilidade das abordagens de montagem de DNA existe para nos levar adiante na solução de problemas em novos materiais e nanofabricação. Embora isso tenha sido extremamente desafiador para os métodos atuais, é extremamente importante para tecnologias emergentes. "