En un), nanotubos de carbono de pared simple etiquetados con secuencias de ADN "rojo" y "azul" se adhieren a hebras anti-rojo y anti-azul en un origami de ADN, resultando en un interruptor electrónico autoensamblado. En (b), una imagen de microscopio de fuerza atómica de una de esas estructuras. El nanotubo azul parece más brillante porque está encima del origami; el nanotubo rojo se encuentra debajo. La barra de escala es de 50 nm. C ª), una vista esquemática de la estructura mostrada en b. El rectángulo gris es el origami de ADN. Una cinta de ADN autoensamblada unida al origami mejora la estabilidad estructural y la facilidad de manejo. Crédito:Paul W. K. Rothemund, Hareem Maune, y Si-ping Han / Caltech / Nanotecnología de la naturaleza
En un trabajo que algún día puede conducir al desarrollo de nuevos tipos de dispositivos electrónicos a nanoescala, un equipo interdisciplinario de investigadores del Instituto de Tecnología de California ha combinado el talento del ADN para el autoensamblaje con las notables propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono, sugiriendo así una solución al antiguo problema de organizar los nanotubos de carbono en circuitos electrónicos a nanoescala.
Un artículo sobre el trabajo apareció el 8 de noviembre en la primera edición en línea de Nanotecnología de la naturaleza .
"Este proyecto es uno de esos grandes '¿En qué otro lugar sino en Caltech?' cuentos, "dice Erik Winfree, profesor asociado de informática, computación y sistemas neuronales, y bioingeniería en Caltech, y uno de los cuatro profesores que supervisan el proyecto.
Tanto la idea inicial del proyecto como su eventual ejecución provienen de tres estudiantes:Hareem T. Maune, un estudiante graduado que estudia física de nanotubos de carbono en el laboratorio de Marc Bockrath (entonces profesor asistente de física aplicada de Caltech, ahora en la Universidad de California, Orilla); Si-ping Han, un teórico en ciencia de materiales que investiga las interacciones entre nanotubos de carbono y ADN en el laboratorio Caltech de William A. Goddard III, Charles y Mary Ferkel Profesor de Química, Ciencia de los Materiales, y Física Aplicada; y Robert D. Barish, un estudiante de licenciatura en ciencias de la computación que trabajaba en el autoensamblaje de ADN complejo en el laboratorio de Winfree.
El proyecto se inició en 2005, poco después de que Paul W. K. Rothemund inventara su revolucionaria técnica de origami de ADN. En el momento, Rothemund fue un becario postdoctoral en el laboratorio de Winfree; hoy dia, es investigador asociado senior en bioingeniería, Ciencias de la Computación, y computación y sistemas neuronales.
El trabajo de Rothemund le dio a Maune, Han, y Barish la idea de usar origami de ADN para construir circuitos de nanotubos de carbono.
El origami de ADN es un tipo de estructura autoensamblada hecha de ADN que se puede programar para formar formas y patrones casi ilimitados. como caras sonrientes o mapas del hemisferio occidental o incluso diagramas eléctricos. Aprovechando las propiedades de reconocimiento de secuencias del emparejamiento de bases de ADN, Los origami de ADN se crean a partir de una sola hebra larga de ADN viral y una mezcla de diferentes hebras cortas de ADN sintético que se unen y "grapan" el ADN viral en la forma deseada. típicamente alrededor de 100 nanómetros (nm) de lado.
Los nanotubos de carbono de pared simple son tubos moleculares compuestos por una malla hexagonal enrollada de átomos de carbono. Con diámetros que miden menos de 2 nm y, sin embargo, con longitudes de muchas micras, tienen la reputación de ser algunos de los más fuertes, más conductor de calor, y la mayoría de los materiales de interés electrónico que se conocen. Durante años, los investigadores han intentado aprovechar sus propiedades únicas en dispositivos a nanoescala, pero ordenarlos con precisión en patrones geométricos deseables ha sido un gran obstáculo.
"Después de escuchar la charla de Paul, Hareem se entusiasmó con la idea de poner nanotubos en origami, "Winfree recuerda". Mientras tanto, Rob había estado hablando con su amigo Si-Ping, y de forma independiente se entusiasmaron con la misma idea ".
Detrás del entusiasmo de los estudiantes estaba la esperanza de que el origami de ADN pudiera usarse como placas de prueba moleculares de 100 nm por 100 nm (bases de construcción para prototipos de circuitos electrónicos) en las que los investigadores podrían construir dispositivos sofisticados simplemente diseñando las secuencias en el origami para que nanotubos específicos adjuntar en posiciones asignadas previamente.
"Antes de hablar con estos estudiantes, "Winfree continúa, "No tenía ningún interés en trabajar con nanotubos de carbono o en aplicar la experiencia en ingeniería de ADN de nuestro laboratorio con fines tan prácticos. Pero, aparentemente de la nada, un equipo se había autoensamblado con un notable espectro de habilidades y mucho entusiasmo. Incluso Si-Ping, un teórico consumado, entró en el laboratorio para ayudar a que la idea se hiciera realidad ".
"Este proyecto de investigación colaborativa es una prueba de cómo en Caltech seleccionamos a los mejores estudiantes en ciencias e ingeniería y los colocamos en un entorno donde su creatividad e imaginación pueden prosperar, "dice Ares Rosakis, presidente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech y Theodore von Kármán Catedrático de Aeronáutica y profesor de Ingeniería Mecánica.
Hacer realidad las ideas de los estudiantes no fue fácil. "La química de los nanotubos de carbono es notoriamente difícil y complicada:las cosas son completamente de carbono, después de todo, por lo que es extremadamente difícil hacer que ocurra una reacción en un átomo de carbono elegido y no en todos los demás, "Explica Winfree.
"Esta dificultad para agarrar químicamente un nanotubo en un 'mango' bien definido es la esencia del problema cuando intentas colocar nanotubos donde los quieres para poder construir circuitos y dispositivos complejos, " él dice.
La ingeniosa solución de los científicos fue aprovechar la pegajosidad del ADN monocatenario para crear esos mangos faltantes. Es esta pegajosidad la que une las dos hebras que forman una hélice de ADN, a través del emparejamiento de bases de nucleótidos del ADN (A, T, C, y G) con los que tienen secuencias complementarias (A con T, C con G).
"El ADN es la molécula perfecta para reconocer otras cadenas de ADN, y al ADN monocatenario también le gusta adherirse a los nanotubos de carbono, "dice Han." Así que mezclamos nanotubos desnudos con moléculas de ADN en agua salada, y se pegan por todas las superficies de los nanotubos. Sin embargo, nos aseguramos de que una pequeña parte de cada molécula de ADN esté protegida, para que esa pequeña porción no se pegue al nanotubo, y podemos usarlo para reconocer el ADN adjunto al origami de ADN en su lugar ".
Los científicos crearon dos lotes de nanotubos de carbono marcados por ADN con diferentes secuencias, que llamaron "rojo" y "azul".
"Metafóricamente, sumergimos un lote de nanotubos en pintura roja de ADN, y sumergió otro lote de nanotubos en pintura azul de ADN, "Dice Winfree. Sorprendentemente, esta pintura de ADN actúa como velcro de color específico.
"Estas moléculas de ADN sirvieron como mangos porque un par de moléculas de ADN monocatenarias con secuencias complementarias se envolverán entre sí para formar una doble hélice. Por lo tanto, " él dice, "el rojo puede unirse fuertemente al anti-rojo, y azul con anti-azul ".
"Como consecuencia, " él añade, "si dibujamos una franja de ADN anti-rojo en una superficie, y vierte los nanotubos recubiertos de rojo sobre él, los nanotubos se pegarán en la línea. Pero los nanotubos recubiertos de azul no se pegarán porque solo se adhieren a una línea anti-azul ".
Para hacer circuitos electrónicos a escala nanométrica con nanotubos de carbono se requiere la capacidad de dibujar franjas de ADN a escala nanométrica. Previamente, esto habría sido una tarea imposible. La invención de Rothemund del origami de ADN, sin embargo, lo hizo posible.
"Un origami de ADN estándar es un rectángulo de aproximadamente 100 nm de tamaño, con más de 200 posiciones de 'píxeles' donde se pueden unir hebras de ADN arbitrarias, "Dice Winfree. Para integrar los nanotubos de carbono en este sistema, los científicos colorearon algunos de esos píxeles en anti-rojo, y otros anti-azul, marcando eficazmente las posiciones en las que querían que se pegaran los nanotubos del mismo color. Luego diseñaron el origami para que los nanotubos etiquetados en rojo se cruzaran perpendicularmente a los nanotubos azules, haciendo lo que se conoce como un transistor de efecto de campo (FET), uno de los dispositivos más básicos para la construcción de circuitos semiconductores.
Aunque su proceso es conceptualmente simple, los investigadores tuvieron que resolver muchos problemas, como separar los haces de nanotubos de carbono en moléculas individuales y unir el ADN monocatenario; encontrar la protección adecuada para estas hebras de ADN para que pudieran reconocer a sus parejas en el origami; y encontrar las condiciones químicas adecuadas para el autoensamblaje.
Después de aproximadamente un año, el equipo había colocado con éxito nanotubos cruzados en el origami; pudieron ver el cruce a través de microscopía de fuerza atómica. Estos sistemas se retiraron de la solución y se colocaron en una superficie, después de lo cual se conectaron cables para medir las propiedades eléctricas del dispositivo. Cuando el sencillo dispositivo del equipo se conectó a electrodos, de hecho, se comportó como un transistor de efecto de campo. El "efecto de campo" es útil porque "los dos componentes del transistor, el canal y la puerta, en realidad, no es necesario tocar para que haya un efecto de cambio, "Explica Rothemund." Un nanotubo de carbono puede cambiar la conductividad del otro debido solo al campo eléctrico que se forma cuando se le aplica un voltaje ".
En este punto, los investigadores estaban seguros de haber creado un método que podría construir un dispositivo a partir de una mezcla de nanotubos y origami.
"Funcionó, "Winfree dice." No puedo decirlo perfectamente, hay mucho margen de mejora. Pero fue suficiente para demostrar la construcción controlada de un dispositivo simple, una unión cruzada de un par de nanotubos de carbono ".
"Esperamos que nuestro enfoque pueda mejorarse y extenderse para construir de manera confiable circuitos más complejos que involucren nanotubos de carbono y quizás otros elementos, incluidos electrodos y cableado". "Goddard dice, "que anticipamos proporcionará nuevas formas de probar el comportamiento y las propiedades de estas moléculas notables".
El beneficio real del enfoque, señala, es que el autoensamblaje no solo hace un dispositivo a la vez. "Esta es una tecnología escalable. Es decir, uno puede diseñar el origami para construir unidades lógicas complejas y hacer esto para miles o millones o miles de millones de unidades que se autoensamblan en paralelo ".
Más información: "Autoensamblaje de nanotubos de carbono en geometrías bidimensionales utilizando plantillas de origami de ADN, " Nanotecnología de la naturaleza .
Fuente:Instituto de Tecnología de California (noticias:web)
