Investigadores de Columbia Engineering, trabajando con el Laboratorio Nacional Brookhaven, informan hoy que han construido materiales 3D diseñados a base de nanopartículas que pueden resistir el vacío, altas temperaturas, alta presión, y alta radiación. Este nuevo proceso de fabricación da como resultado marcos de nanoescala robustos y completamente diseñados que no solo pueden acomodar una variedad de tipos de nanopartículas funcionales, sino que también pueden procesarse rápidamente con métodos de nanofabricación convencionales.

"Estos materiales basados ​​en nanopartículas autoensamblados son tan resistentes que podrían volar en el espacio, "dice Oleg Gang, profesor de ingeniería química y de física aplicada y ciencia de los materiales, quien dirigió el estudio publicado hoy por Avances de la ciencia . "Pudimos hacer la transición de arquitecturas de nanopartículas de ADN en 3D del estado líquido, y de ser un material flexible, al estado sólido, donde la sílice refuerza los puntales del ADN. Este nuevo material mantiene completamente su arquitectura de marco original de celosía de nanopartículas de ADN, esencialmente creando una réplica inorgánica en 3D. Esto nos permitió explorar, por primera vez, cómo estos nanomateriales pueden combatir las duras condiciones, como se forman y cuáles son sus propiedades ".

Las propiedades de los materiales son diferentes a nanoescala y los investigadores han estado explorando durante mucho tiempo cómo usar estos pequeños materiales:1, 000 a 10, 000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, en todo tipo de aplicaciones, desde la fabricación de sensores para teléfonos hasta la creación de chips más rápidos para portátiles. Técnicas de fabricación, sin embargo, han sido un desafío en la realización de nanoarquitecturas 3D. La nanotecnología del ADN permite la creación de materiales organizados de manera compleja a partir de nanopartículas mediante el autoensamblaje, pero dada la naturaleza suave y dependiente del medio ambiente del ADN, tales materiales pueden ser estables solo en un rango limitado de condiciones. A diferencia de, Los materiales recién formados ahora se pueden usar en una amplia gama de aplicaciones donde se requieren estas estructuras de ingeniería. Si bien la nanofabricación convencional sobresale en la creación de estructuras planas, El nuevo método de Gang permite la fabricación de nanomateriales 3D que se están volviendo esenciales para tantos productos electrónicos, óptico, y aplicaciones energéticas.

Pandilla, quien tiene un nombramiento conjunto como líder de grupo del Grupo de Nanomateriales Blandos y Bio en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Lab, está a la vanguardia de la nanotecnología del ADN, que se basa en el plegado de la cadena de ADN en nanoestructuras bidimensionales y tridimensionales deseadas. Estas nanoestructuras se convierten en bloques de construcción que se pueden programar a través de interacciones Watson-Crick para autoensamblarse en arquitecturas 3D. Su grupo diseña y forma estas nanoestructuras de ADN, los integra con nanopartículas y dirige el ensamblaje de materiales específicos basados ​​en nanopartículas. Y, ahora, con esta nueva técnica, el equipo puede hacer que estos materiales pasen de ser suaves y frágiles a sólidos y robustos.

Este nuevo estudio demuestra un método eficaz para convertir retículos de nanopartículas de ADN en 3D en réplicas de sílice. mientras se mantiene la topología de las conexiones entre partículas mediante puntales de ADN y la integridad de la organización de las nanopartículas. La sílice funciona bien porque ayuda a retener la nanoestructura de la red del ADN original, forma un molde robusto del ADN subyacente y no afecta la disposición de las nanopartículas.

"El ADN en tales redes adquiere las propiedades de la sílice, "dice Aaron Michelson, un doctorado estudiante del grupo de Gang. "Se vuelve estable en el aire y se puede secar y permite el análisis a nanoescala 3D del material por primera vez en el espacio real. Además, la sílice proporciona resistencia y estabilidad química, es de bajo costo y se puede modificar según sea necesario; es un material muy conveniente ".

Para obtener más información sobre las propiedades de sus nanoestructuras, El equipo expuso las redes de nanopartículas de ADN de sílice convertidas a condiciones extremas:altas temperaturas por encima de 1, 0000C y altas tensiones mecánicas superiores a 8GPa (aproximadamente 80, 000 veces más que la presión atmosférica, o 80 veces más que en el lugar más profundo del océano, la fosa de las Marianas), y estudió estos procesos in situ. Para medir la viabilidad de las estructuras para las aplicaciones y los pasos de procesamiento posteriores, los investigadores también los expusieron a altas dosis de radiación y haces de iones enfocados.

"Nuestro análisis de la aplicabilidad de estas estructuras para acoplarlas con las técnicas tradicionales de nanofabricación demuestra una plataforma verdaderamente robusta para generar nanomateriales resilientes a través de enfoques basados ​​en el ADN para descubrir sus nuevas propiedades". "Notas de la pandilla". Este es un gran paso adelante, ya que estas propiedades específicas significan que podemos usar nuestro ensamblaje de nanomateriales 3D y aún acceder a la gama completa de pasos de procesamiento de materiales convencionales. Esta integración de métodos de nanofabricación novedosos y convencionales es necesaria para lograr avances en la mecánica, electrónica, plasmónicos, fotónica, superconductividad, y materiales energéticos ".

Las colaboraciones basadas en el trabajo de Gang ya han dado lugar a una nueva superconductividad y conversión de la sílice en medios conductores y semiconductores para su posterior procesamiento. Estos incluyen un estudio anterior publicado por Comunicaciones de la naturaleza y uno publicado recientemente por Nano letras . Los investigadores también planean modificar la estructura para hacer una amplia gama de materiales con propiedades mecánicas y ópticas muy deseables.

"Las computadoras se fabrican con silicio durante más de 40 años, "Gang agrega." Se necesitaron cuatro décadas para reducir la fabricación a unos 10 nm para estructuras y dispositivos planos. Ahora podemos hacer y ensamblar nanoobjetos en un tubo de ensayo en un par de horas sin herramientas costosas. Ahora se pueden orquestar ocho mil millones de conexiones en un solo entramado para autoensamblar a través de procesos a nanoescala que podemos diseñar. Cada conexión puede ser un transistor, un sensor, o un emisor óptico:cada uno puede ser un bit de datos almacenados. Mientras la ley de Moore se desacelera, la programabilidad de los enfoques de ensamblaje de ADN está ahí para ayudarnos a resolver problemas en materiales novedosos y nanofabricación. Si bien esto ha sido un gran desafío para los métodos actuales, es de enorme importancia para las tecnologías emergentes ".