「分子光刻」,可編程DNA,3D無機納米
2020-11-24 騰訊網納米級超導結構的研究揭示了各種物理現象，並導致了許多領域裡的應用。但是由於缺乏創建完全工程化的三維3D納米結構的方法，這些研究大多集中於一維和二維結構。傳統的製造工具（如光刻）僅限於一維1D和二維2D納米結構，如超導線和薄膜。
美國布魯克海文國家實驗室、哥倫比亞大學、和以色列巴伊蘭大學的科學家們開發了一個途徑，可通過指定的組織製造3D超導納米體系結構。該研究成果論文，題為：「DNA組裝的超導3D納米級架構」，發表在《自然通訊》上。
該研究基於將DNA自組裝成所需的納米級3D形狀的平臺。在DNA自組裝中，一條DNA長鏈在特定位置被較短的互補的如「釘書釘」的鏈摺疊起來，這類似於紙張摺疊技術，所以稱為DNA摺紙技術：用DNA分子、而非紙作為材料，是DNA納米技術與DNA自組裝領域的一個新領域。
研究人員提出了一種「自下而上」的方法，該方法使用基於DNA的自組裝方法按規定的多尺度組織來創建3D超導納米結構，通過八面體DNA框架的頂點處的連接框架，從摻入了納米粒子的八面體DNA框架組裝3D的DNA超晶格，從而形成具有48納米晶胞的立方超晶格。
該超導超晶格是通過將DNA超晶格首先轉換為高度結構化的3D二氧化矽支架而形成，將其從依賴於軟性和液體環境的大分子結構轉變為固態結構，然後塗覆超導鈮（Nb）。如圖所示從八面體DNA框架和金納米粒子組裝3D超晶格的示意圖，並將其轉換為二氧化矽和超導結構。
通過低溫電學表徵，研究證明了該過程創建了約瑟夫森結的3D陣列。此方法可用於許多應用領域，例如用於測量磁場矢量的3D超導量子幹涉設備（SQUID）、高靈敏度超導量子幹涉濾波器（SQIF）、和用於量子信息系統的參數放大器等多種量子器件中，以提高用於醫學成像、地下地質測繪的量子計算機和超靈敏磁場傳感器的速度和準確性。
研究人員表示：「由於其結構的可編程性，DNA可以為構建設計的納米結構提供一個組裝平臺。」哥倫比亞工程學院的工程學和應用物理與材料科學專業。「但是，DNA的脆弱性使其似乎不適合需要無機材料的功能設備製造和納米製造。在這項研究中，我們展示了DNA如何充當構建3D納米級結構的支架，該結構可以完全「轉化」為無機材料，例如超導體。」
為了製作支架，研究人員首先設計了八面體形狀的DNA摺紙「框架」，應用了DNA可編程策略，以便將這些框架組裝成所需的晶格。然後，用化學技術用二氧化矽包裹DNA晶格，固化原來柔軟的結構，這需要液態環境來保持其結構。
研究團隊量身定製了製造工藝，以使結構符合其設計要求，通過CFN電子顯微鏡工廠的成像以及布魯克海文國家同步加速器光源II（NSLS-II）在複雜材料散射光束線上的小角度X射線散射得到了證實。實驗表明，在覆蓋DNA晶格後，結構完整性得以保留。如圖所示Nb塗層超晶格的電子顯微鏡表徵和元素分析。
研究人員說：「DNA的原始形式完全無法用於傳統的納米技術方法中。」 「但是一旦我們用二氧化矽包裹DNA，我們就擁有了機械堅固的3D結構，我們可以使用這些方法沉積無機材料。這類似於傳統的納米製造，有價值的材料被沉積在平坦的基板上，通常是矽，以添加功能。」
研究人員說：「以前，使用傳統的製造技術製造3D納米超導體涉及非常複雜且困難的過程。」 「在這裡，我們發現了使用新的DNA結構的相對簡單的方法。」
研究人員將低溫超導體（鈮）蒸發到包含少量晶格樣品的矽晶片上。必須仔細控制蒸發速率和矽襯底溫度，以使鈮覆蓋樣品，但不會完全滲透。如果完全滲透，則用於電子傳輸測量的電極之間可能會發生短路。研究人員在基板上切開了一個特殊的通道，以確保電流只會流過樣品本身。
測量結果顯示了約瑟夫森結的3維陣列，即超導電流隧道穿過的薄的非超導勢壘。約瑟夫遜結的陣列是在實際技術中利用量子現象的關鍵，例如用於磁場感應的超導量子幹涉裝置。在3D中，可以將更多的結封裝成一個小體積，從而增加了器件功率。
研究人員表示：「我們展示了一種複雜的DNA組織如何用於創建高度納米結構的3D超導材料的途徑。」 「這種材料轉化途徑使我們能夠製造具有有趣特性的各種系統，不僅具有超導性，還具有其他電子、機械、光學和催化特性。我們可以將其設想為「分子光刻」，其中DNA的可編程性已轉移到3D無機納米製造中。」
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