La estructura única del ADN es ideal para transportar información genética, pero los científicos han encontrado recientemente formas de explotar esta molécula versátil para otros propósitos:controlando las secuencias de ADN, pueden manipular la molécula para formar muchas formas a nanoescala diferentes.

Los ingenieros químicos y moleculares del MIT y de la Universidad de Harvard han ampliado este enfoque mediante el uso de ADN plegado para controlar la nanoestructura de los materiales inorgánicos. Después de construir nanoestructuras de ADN de varias formas, utilizaron las moléculas como plantillas para crear patrones a nanoescala en hojas de grafeno. Este podría ser un paso importante hacia la producción a gran escala de chips electrónicos hechos de grafeno, una hoja de carbono de un átomo de espesor con propiedades electrónicas únicas.

"Esto nos da una herramienta química para programar formas y patrones a escala nanométrica, formando circuitos electrónicos, por ejemplo, "dice Michael Strano, profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal de un artículo que describe la técnica en la edición del 9 de abril de Comunicaciones de la naturaleza .

Peng Yin, profesor asistente de biología de sistemas en la Escuela de Medicina de Harvard y miembro del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard, también es un autor principal del artículo, y el postdoctorado del MIT, Zhong Jin, es el autor principal. Otros autores son los postdoctorados de Harvard Wei Sun y Yonggang Ke, Estudiantes graduados del MIT Chih-Jen Shih y Geraldine Paulus, y los postdoctorados del MIT Qing Hua Wang y Bin Mu.

La mayoría de estas nanoestructuras de ADN se fabrican utilizando un enfoque novedoso desarrollado en el laboratorio de Yin. Las nanoestructuras de ADN complejas con formas prescritas con precisión se construyen utilizando hebras cortas de ADN sintético llamadas baldosas de una sola hebra. Cada uno de estos mosaicos actúa como un ladrillo de juguete entrelazado y se une con cuatro vecinos designados.

Usando estas baldosas de una sola hebra, El laboratorio de Yin ha creado más de 100 formas distintas a nanoescala, incluido el alfabeto completo de letras mayúsculas en inglés y muchos emoticonos. Estas estructuras se diseñan utilizando software de computadora y se pueden ensamblar en una reacción simple. Alternativamente, tales estructuras se pueden construir usando un enfoque llamado origami de ADN, en el que muchas hebras cortas de ADN pliegan una hebra larga en una forma deseada.

Sin embargo, El ADN tiende a degradarse cuando se expone a la luz solar o al oxígeno, y puede reaccionar con otras moléculas, por lo que no es ideal como material de construcción a largo plazo. "Nos gustaría aprovechar las propiedades de nanomateriales más estables para aplicaciones estructurales o electrónica, "Dice Strano.

En lugar de, él y sus colegas transfirieron la información estructural precisa codificada en el ADN a un grafeno más resistente. El proceso químico involucrado es bastante sencillo, Strano dice:Primero, el ADN se ancla en una superficie de grafeno usando una molécula llamada aminopirina, que es similar en estructura al grafeno. Luego, el ADN se recubre con pequeños grupos de plata a lo largo de la superficie, lo que permite depositar una capa posterior de oro sobre la plata.

Una vez que la molécula está recubierta de oro, el ADN metalizado estable se puede utilizar como máscara para un proceso llamado litografía de plasma. Plasma de oxígeno, un "flujo de gas" muy reactivo de moléculas ionizadas, se utiliza para desgastar cualquier grafeno desprotegido, dejando atrás una estructura de grafeno idéntica a la forma original del ADN. A continuación, el ADN metalizado se lava con cianuro de sodio.

Dar forma a los circuitos de grafeno

El equipo de investigación utilizó esta técnica para crear varios tipos de formas, incluidas las uniones X e Y, así como anillos y cintas. Descubrieron que aunque la mayor parte de la información estructural se conserva, parte de la información se pierde cuando el ADN está recubierto de metal, por lo que la técnica aún no es tan precisa como otra técnica llamada litografía con haz de electrones.

Sin embargo, litografía por haz de electrones, que utiliza haces de electrones para tallar formas en grafeno, es caro y lleva mucho tiempo, por lo que sería muy difícil escalarlo para producir en masa componentes eléctricos o de otro tipo hechos de grafeno.

Una forma de particular interés para los científicos es una cinta de grafeno, que es una tira muy estrecha de grafeno que confina los electrones del material, dándole nuevas propiedades. El grafeno normalmente no tiene una banda prohibida, una propiedad necesaria para que cualquier material actúe como un transistor típico. Sin embargo, las cintas de grafeno tienen una banda prohibida, para que puedan utilizarse como componentes de circuitos electrónicos.

"Todavía hay interés en usar grafeno para la electrónica digital. El grafeno en sí no es ideal para esto, pero si lo modelas en cintas, Puede ser posible, "Dice Strano.

Los científicos también están interesados ​​en los anillos de grafeno porque pueden usarse como transistores de interferencia cuántica, un tipo novedoso de transistor creado cuando los electrones fluyen alrededor de un círculo. Este tipo de comportamiento se ha observado recientemente, y esta técnica de fabricación podría permitir a los científicos crear muchos anillos para poder estudiar este fenómeno más a fondo.

A largo plazo, La estrategia de fabricación de nanoestructuras de ADN podría ayudar a los investigadores a diseñar y construir circuitos electrónicos hechos de grafeno. Esto ha sido difícil hasta ahora porque es un desafío colocar pequeñas estructuras de carbono, como nanotubos y nanocables, en una hoja de grafeno. Sin embargo, El uso de máscaras de ADN metalizado para organizar las estructuras en una hoja de grafeno podría facilitar mucho el proceso.

El nuevo enfoque es "conceptualmente novedoso, "dice Robert Haddon, profesor de ingeniería química y ambiental en la Universidad de California en Riverside, que no formaba parte del equipo de investigación. "El trabajo muestra el potencial de las nanoarquitecturas de ADN metalizado autoensambladas como máscaras litográficas para el modelado a escala de obleas de elementos de circuitos electrónicos basados ​​en grafeno. Creo que este enfoque estimulará la investigación adicional sobre la aplicación de técnicas de nanopatrones en nanoelectrónica basada en grafeno. "

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.