Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), da Universidade de Columbia e da Universidade Stony Brook desenvolveram um método universal para produzir uma ampla variedade de nanoestruturas 3D metálicas e semicondutoras projetadas - os potenciais materiais de base para dispositivos semicondutores de próxima geração, computação neuromórfica e aplicações avançadas de energia.



O novo método, que utiliza uma forma “hackeada” de DNA que instrui as moléculas a se organizarem em padrões 3D direcionados, é o primeiro desse tipo a produzir nanoestruturas robustas a partir de múltiplas classes de materiais. O estudo foi publicado em Avanços da Ciência .

"Temos usado DNA para programar materiais em nanoescala há mais de uma década", disse o autor correspondente Oleg Gang, professor de engenharia química e de física aplicada e ciência de materiais na Columbia Engineering e líder do Grupo de Nanomateriais Suaves e Bio no Centro. para Nanomateriais Funcionais (CFN). CFN é uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Brookhaven Lab.

"Agora, com base em conquistas anteriores, desenvolvemos um método para converter essas estruturas baseadas em DNA em muitos tipos de nanoarquiteturas 3D inorgânicas funcionais, e isso abre enormes oportunidades para a fabricação em nanoescala 3D."

A automontagem está no DNA desta equipe

CFN é líder na pesquisa de automontagem, o processo pelo qual as moléculas se organizam espontaneamente. Em particular, os cientistas do CFN são especialistas em montagem dirigida por DNA.

Os pesquisadores programam cadeias de DNA para “direcionar” o processo de automontagem para arranjos moleculares que dão origem a propriedades benéficas, como condutividade elétrica, fotossensibilidade e magnetismo. Então, essas estruturas podem ser ampliadas para materiais funcionais. Até o momento, o CFN usou a montagem dirigida por DNA para produzir filmes finos comutáveis, nanosupercondutores 3D e muito mais.

"Demonstrámos vários tipos de estruturas que podemos organizar utilizando a montagem dirigida pelo ADN. Mas, para levar esta investigação ao próximo nível, não podemos confiar apenas no ADN", disse Gang. "Precisávamos expandir nosso método para criar estruturas mais robustas com funcionalidades mais específicas para tecnologias avançadas como microeletrônica e dispositivos semicondutores."

Recentemente, Gang e colegas, incluindo vários estudantes, conseguiram cultivar sílica, uma forma oxidada de silício, numa rede de ADN. A adição de sílica criou uma estrutura muito mais robusta, mas o procedimento não era amplamente aplicável a diferentes materiais. A equipe ainda precisava de mais pesquisas para desenvolver um método que pudesse produzir materiais metálicos e semicondutores de forma eficiente.

Técnicas (e experiência) de empilhamento

Para construir um método mais universal para a produção de nanoestruturas 3D, pesquisadores do Grupo de Nanomateriais Suaves e Biológicos do CFN colaboraram com o Grupo de Nanomateriais Eletrônicos do Centro.

"A relação entre os diferentes grupos de pesquisa do CFN é muito frutífera para todos", disse o autor principal Aaron Michelson, pesquisador de pós-doutorado no CFN que iniciou esta pesquisa como estudante de graduação em Columbia.

"Nossos laboratórios de bio e matéria mole ficam ao lado dos laboratórios de síntese de materiais, que ficam ao lado dos laboratórios de microscopia eletrônica, por isso é uma relação muito sinérgica. A cultura do CFN facilita a iteração na pesquisa e, além disso, estamos cercado por todos os equipamentos líderes de que precisamos."

Cientistas do Grupo de Nanomateriais Eletrônicos foram os pioneiros em uma nova técnica de síntese de materiais chamada infiltração em fase de vapor. Esta técnica liga um precursor químico, na forma de vapor, a uma rede em nanoescala, penetrando além da superfície e profundamente na estrutura do material.

A realização dessa técnica nas estruturas de sílica que a equipe de Gang havia construído anteriormente, utilizando precursores com elementos metálicos, permitiu aos pesquisadores produzir estruturas metálicas 3D.

"Já estávamos usando essa técnica para outras aplicações, como melhorar materiais microeletrônicos ou membranas de separação de gás para hidrogênio, quando percebemos que ela poderia ser aplicada à montagem dirigida por DNA", disse o co-autor Chang-Yong Nam, cientista do Grupo de Nanomateriais Eletrônicos do CFN.

Nam lidera o programa de pesquisa no desenvolvimento de métodos de síntese de infiltração em fase de vapor para aplicações em microeletrônica e tecnologia de energia. "Isso foi muito emocionante."

A equipe também experimentou a infiltração em fase líquida, outra técnica que forma ligações químicas na superfície de um material, exceto com um precursor líquido. Nesse caso, a equipe ligou diferentes sais metálicos à sílica, formando uma variedade de estruturas metálicas.

"Ao incorporar revestimentos de elemento único e multielemento por meio de técnicas de infiltração em fase líquida e de vapor, preservamos a rede de DNA subjacente e, ao mesmo tempo, permitimos a produção de nanoestruturas inorgânicas 3D", disse Gang.

Michelson acrescentou:"Outra maneira de pensar sobre como construímos essas estruturas é compará-la à construção de uma casa. Primeiro, você constrói os ossos - a madeira da casa ou a sílica desses materiais. Depois, você começa a adicionar componentes funcionais, como isolamento ou elementos metálicos."

A variedade de componentes funcionais disponíveis, tanto para casas como para nanomateriais, é vasta. Por exemplo, para proteger as casas contra tempestades, algumas casas precisam de janelas resistentes a furacões e outras precisam de fundações elevadas. Outras casas precisam de uma combinação de componentes únicos e funcionais como estes – e o mesmo se aplica aos nanomateriais. Assim, para permitir a produção da mais ampla variedade de nanoestruturas funcionais através de um único método, a equipe decidiu empilhar ambas as técnicas de infiltração.

“O empilhamento dessas técnicas mostrou muito mais profundidade de controle do que jamais foi conseguido antes”, disse Michelson. "Quaisquer vapores disponíveis como precursores para a infiltração em fase de vapor podem ser acoplados a vários sais metálicos compatíveis com a infiltração em fase líquida para criar estruturas mais complexas. Por exemplo, fomos capazes de combinar platina, alumínio e zinco no topo de uma nanoestrutura ."

Este método universal foi extremamente eficaz para produzir nanoestruturas 3D de uma ampla variedade de composições de materiais – a tal ponto que surpreendeu os pesquisadores. A equipe conseguiu produzir nanoestruturas 3D contendo diferentes combinações de zinco, alumínio, cobre, molibdênio, tungstênio, índio, estanho e platina. Esta é a primeira demonstração desse tipo para a criação de nanomateriais 3D altamente estruturados.

"Uma das coisas mais surpreendentes sobre este experimento é que fomos capazes de produzir com sucesso tantas composições de materiais diferentes de nanoestruturas usando um protocolo de processo idêntico de uma maneira simples, repetível e robusta", disse Michelson.

"Normalmente, para pesquisas como essa, você precisa gastar uma quantidade considerável de tempo com apenas uma classe de materiais tentando fazê-la funcionar, dia após dia. Enquanto aqui, quase tudo que tentamos funcionou rapidamente e, em algum momento, só tivemos que parar de produzir estruturas porque queríamos escrever sobre isso."

Ver para crer

Para provar o sucesso deste método para cada nanoestrutura que desenvolveram, até ao mais ínfimo nível de detalhe, os investigadores aproveitaram a experiência e as instalações de imagem de classe mundial no CFN e na Fonte Nacional de Luz Síncrotron II (NSLS-II). NSLS-II é uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Brookhaven Lab que produz raios X ultrabrilhantes para iluminar a composição física, química e eletrônica de amostras em escala atômica.

“Não apenas criamos todas essas nanoestruturas, mas caracterizamos completamente cada uma delas para tentar entendê-las e processá-las ainda mais”, disse Michelson. "Inicialmente, esses materiais podem existir em algum estado intermediário, que poderíamos processar posteriormente até um estado final, mais funcional e útil."

Existem várias propriedades necessárias para produzir materiais úteis para tecnologias como dispositivos semicondutores. Para este estudo, os pesquisadores transmitiram condutividade elétrica e fotoatividade nas nanoestruturas 3D. Por exemplo, eles começaram com um material isolante e depois, através de seu novo método de montagem direcionado ao DNA que incorpora duas técnicas de infiltração, adicionaram óxidos metálicos semicondutores, como o óxido de zinco, para que a nanoestrutura pudesse herdar sua condutividade elétrica e fotoluminescência.

Finalmente, para todos os seus produtos finais, eles levaram as amostras para instalações de imagem no Laboratório Brookhaven para ver sua composição volumétrica.

No CFN, a equipe usou a instalação de microscopia eletrônica para produzir visualizações de alta resolução de suas estruturas após infiltração em fase de vapor, infiltração em fase líquida e empilhamento de ambas as técnicas - para cada precursor usado.

Eles aproveitaram uma combinação de microscópios eletrônicos de transmissão e microscópios eletrônicos de varredura, que geram imagens com resolução em nanoescala, analisando como os elétrons ricocheteiam ou passam pelas amostras, respectivamente.

Essas técnicas permitiram aos pesquisadores produzir vistas pitorescas de suas nanoestruturas e mapear seus arranjos químicos com alta precisão e em pequenas áreas de suas amostras.

Para obter visualizações 3D dessas informações em áreas maiores, a equipe usou a linha de luz Complex Materials Scattering (CMS) e a linha de luz Hard X-ray Nanoprobe (HXN) no NSLS-II.

CMS é uma linha de luz parceira operada em conjunto pela NSLS-II e CFN. Lá, os pesquisadores direcionaram os raios X ultrabrilhantes do NSLS-II para suas amostras, observando como os raios X se espalharam para inferir os arranjos atômicos 3D das nanoestruturas. Enquanto isso, o HXN forneceu imagens 3D diretas das estruturas e de seus “mapas” químicos.

Os pesquisadores usaram a principal técnica do HXN, a nanotomografia de raios X, que funciona de forma semelhante a uma tomografia computadorizada médica. A linha de luz captura 180 projeções 2D da amostra, girando-a um grau de cada vez. Então, os computadores constroem uma imagem 3D a partir da série de projeções. Mas, diferentemente das tomografias computadorizadas, o HXN incorpora uma nanossonda para capturar as projeções com resolução nanométrica.

“Este tipo de detalhe químico não pode ser capturado por outras técnicas ou qualquer outra instalação”, disse o co-autor Hanfei Yan, cientista-chefe de linhas de luz da HXN. “E esta informação foi muito importante para este estudo devido à complexidade das nanoestruturas. Descobrir a distribuição elementar ajudou-nos a determinar se o novo método era eficaz e se os revestimentos penetravam totalmente na rede.”

Michelson disse:"O HXN nos forneceu uma resolução espacial e elementar que não poderíamos alcançar em nenhum outro lugar. O HXN nos ajudou a confirmar que esses revestimentos não apenas estavam presentes nas superfícies do material, mas na verdade eram volumétricos para a amostra."

O grupo utilizou anteriormente esta técnica para revelar a estrutura 3D das redes de DNA com resolução de partícula única. Agora, essa técnica permitiu revelar os arranjos de nanocaracterísticas metálicas e semicondutoras nas profundezas da amostra, o que foi importante para verificar a fidelidade e o poder de seu método de fabricação.

Tornar acessíveis pesquisas líderes mundiais

Tendo confirmado o sucesso do seu novo método, o CFN irá agora trabalhar para aplicar o método a pesquisas mais complexas e oferecê-lo aos cientistas visitantes. Como uma instalação de usuário, a CFN disponibiliza suas capacidades e conhecimentos para “usuários” em todo o país e no mundo. A assistência às experiências dos utilizadores não só fornece aos investigadores externos ferramentas às quais normalmente não teriam acesso, como também abre a porta a novas colaborações e ideias científicas que de outra forma nunca seriam realizadas.

"Desenvolvemos esses materiais e métodos, e isso é interessante para nossos próprios programas no CFN, mas também gostaríamos de ver os usuários utilizando esses métodos para suas próprias pesquisas", disse Gang. "Nosso objetivo é sempre ampliar nossos métodos e conectar novos pesquisadores aos nossos desenvolvimentos. Queremos que nosso trabalho beneficie a comunidade científica mais ampla, não apenas o Laboratório Brookhaven."

O ecossistema de conhecimentos e instalações do CFN que beneficiou esta investigação também é um benefício para os utilizadores, e o CFN está constantemente a expandir as suas ofertas e a torná-las mais acessíveis. Por exemplo, os cientistas pretendem implementar o novo método de investigação numa das mais recentes ferramentas do Centro, um robô para manusear líquidos.

"Desenvolver esses métodos e publicar artigos é apenas uma parte da missão geral do CFN", disse o co-autor Jason Kahn, cientista da equipe do Soft and Bio Nanomaterials Group do CFN.

"Outro objetivo importante do CFN é tornar nosso trabalho e instalações mais acessíveis, e isso significa desenvolver um protocolo padrão para os usuários sintetizarem materiais com alto rendimento. Queremos que os usuários possam vir até nós e dizer:'Eu quero fazer este material com esta espessura, estrutura e composição para obter essas propriedades específicas.' A implementação do manipulador de líquidos facilitará esse protocolo."

O CFN também estuda as propriedades mecânicas dos nanomateriais, e materiais como os desenvolvidos neste trabalho apresentam grande potencial para melhorar o desempenho mecânico, como foi recentemente demonstrado pelo grupo em outro estudo.

No geral, o novo método do CFN para criar nanoestruturas 3D projetadas, robustas e funcionalmente ajustáveis ​​preparou o terreno para avanços na fabricação avançada em pequenas escalas. Seu trabalho poderá viabilizar diversas tecnologias emergentes e proporcionará novas oportunidades para iniciativas científicas e usuários no Brookhaven Lab.

Mais informações: Aaron Michelson et al, Estruturas tridimensionais de metal em nanoescala, óxido de metal e semicondutores por meio de montagem e modelos programáveis ​​por DNA, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0604
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven