Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad de Columbia y la Universidad Stony Brook han desarrollado un método universal para producir una amplia variedad de nanoestructuras 3D metálicas y semiconductoras diseñadas:los materiales base potenciales para dispositivos semiconductores de próxima generación. computación neuromórfica y aplicaciones energéticas avanzadas.
El nuevo método, que utiliza una forma "pirateada" de ADN que instruye a las moléculas a organizarse en patrones 3D específicos, es el primero de su tipo en producir nanoestructuras robustas a partir de múltiples clases de materiales. El estudio fue publicado en Science Advances .
"Hemos estado usando ADN para programar materiales a nanoescala durante más de una década", dijo el autor correspondiente Oleg Gang, profesor de ingeniería química y física aplicada y ciencia de materiales en Columbia Engineering y líder del Grupo de Nanomateriales Blandos y Bio en el Centro. de Nanomateriales Funcionales (CFN). CFN es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab.
"Ahora, basándose en logros anteriores, hemos desarrollado un método para convertir estas estructuras basadas en ADN en muchos tipos de nanoarquitecturas 3D inorgánicas funcionales, y esto abre enormes oportunidades para la fabricación a nanoescala 3D".
CFN es líder en la investigación del autoensamblaje, el proceso mediante el cual las moléculas se organizan espontáneamente. En particular, los científicos del CFN son expertos en el ensamblaje dirigido al ADN.
Los investigadores programan hebras de ADN para "dirigir" el proceso de autoensamblaje hacia disposiciones moleculares que dan lugar a propiedades beneficiosas, como la conductividad eléctrica, la fotosensibilidad y el magnetismo. Luego, esas estructuras se pueden ampliar a materiales funcionales. Hasta la fecha, CFN ha utilizado ensamblaje dirigido por ADN para producir películas delgadas intercambiables, nanosuperconductores 3D y más.
"Hemos demostrado varios tipos de estructuras que podemos organizar mediante el ensamblaje dirigido por ADN. Pero, para llevar esta investigación al siguiente nivel, no podemos confiar únicamente en el ADN", dijo Gang. "Necesitábamos ampliar nuestro método para crear estructuras más robustas con una funcionalidad más específica para tecnologías avanzadas como la microelectrónica y los dispositivos semiconductores".
Recientemente, Gang y sus colegas, entre ellos varios estudiantes, pudieron cultivar sílice, una forma oxidada de silicio, en una red de ADN. La adición de sílice creó una estructura mucho más robusta, pero el procedimiento no fue ampliamente aplicable a diferentes materiales. El equipo aún necesitaba más investigación para desarrollar un método que pudiera producir materiales metálicos y semiconductores de manera eficiente.
Para desarrollar un método más universal para producir nanoestructuras 3D, los investigadores del Grupo de Nanomateriales Bio y Blandos del CFN colaboraron con el Grupo de Nanomateriales Electrónicos del Centro.
"La relación entre los diferentes grupos de investigación del CFN es muy fructífera para todos", afirmó el autor principal Aaron Michelson, investigador postdoctoral del CFN que comenzó esta investigación como estudiante de posgrado en Columbia.
"Nuestros laboratorios de materia biológica y blanda están al lado de los laboratorios de síntesis de materiales, que a su vez están al lado de los laboratorios de microscopía electrónica, por lo que es una relación muy sinérgica. La cultura de CFN hace que sea más fácil iterar en la investigación y, además, estamos rodeado de todo el equipo líder que necesitamos."
Los científicos del Grupo de Nanomateriales Electrónicos fueron pioneros en una novedosa técnica de síntesis de materiales llamada infiltración en fase de vapor. Esta técnica une un precursor químico, en forma de vapor, a una red a nanoescala, penetrando más allá de la superficie y profundamente en la estructura del material.
La realización de esta técnica en las estructuras de sílice que el equipo de Gang había construido previamente, utilizando precursores con elementos metálicos, permitió a los investigadores producir estructuras metálicas en 3D.
"Ya estábamos usando esta técnica para otras aplicaciones, como mejorar materiales microelectrónicos o membranas de separación de gases para hidrógeno, cuando nos dimos cuenta de que podía aplicarse al ensamblaje dirigido por ADN", dijo el coautor correspondiente Chang-Yong Nam, científico del Grupo de Nanomateriales Electrónicos del CFN.
Nam dirige el programa de investigación sobre el desarrollo de métodos de síntesis de infiltración en fase de vapor para aplicaciones de microelectrónica y tecnología energética. "Eso fue muy emocionante."
El equipo también experimentó con la infiltración en fase líquida, otra técnica que forma enlaces químicos en la superficie de un material, excepto con un precursor líquido. En este caso, el equipo unió diferentes sales metálicas a sílice, formando una variedad de estructuras metálicas.
"Al incorporar recubrimientos de un solo elemento y de múltiples elementos a través de técnicas de infiltración en fase líquida y de vapor, preservamos la red de ADN subyacente y al mismo tiempo permitimos la producción de nanoestructuras inorgánicas 3D", dijo Gang.
Michelson añadió:"Otra forma de pensar en cómo hemos construido estas estructuras es compararlas con la construcción de una casa. Primero, construyes los huesos:la madera de la casa o la sílice en estos materiales. Luego, comienzas a agregar componentes funcionales, como aislamientos o elementos metálicos."
La variedad de componentes funcionales disponibles, tanto para casas como para nanomateriales, es enorme. Por ejemplo, para proteger las casas contra las tormentas, algunas casas necesitan ventanas resistentes a huracanes y otras necesitan cimientos elevados. Otras casas necesitan una combinación de componentes únicos y funcionales como estos, y lo mismo ocurre con los nanomateriales. Entonces, para permitir la producción de la más amplia variedad de nanoestructuras funcionales a través de un único método, el equipo decidió combinar ambas técnicas de infiltración.
"La acumulación de estas técnicas demostró una profundidad de control mucho mayor que la que se había logrado antes", dijo Michelson. "Cualesquiera que sean los vapores disponibles como precursores para la infiltración en fase de vapor, se pueden combinar con varias sales metálicas compatibles con la infiltración en fase líquida para crear estructuras más complejas. Por ejemplo, pudimos combinar platino, aluminio y zinc encima de una nanoestructura. ."
Este método universal fue extremadamente eficaz para producir nanoestructuras tridimensionales de una amplia variedad de composiciones de materiales, hasta tal punto que sorprendió a los investigadores. El equipo pudo producir nanoestructuras 3D que contienen diferentes combinaciones de zinc, aluminio, cobre, molibdeno, tungsteno, indio, estaño y platino. Esta es la primera demostración de este tipo para crear nanomateriales 3D altamente estructurados.
"Una de las cosas más sorprendentes de este experimento es que pudimos producir con éxito tantas composiciones materiales diferentes de nanoestructuras utilizando un protocolo de proceso idéntico de una manera sencilla, repetible y robusta", dijo Michelson.
"Normalmente, para investigaciones como esta, es necesario dedicar una cantidad considerable de tiempo con una sola clase de materiales tratando de que funcione, día tras día. Mientras que aquí, casi todo lo que probamos funcionó rápidamente y, en algún momento, simplemente tuvimos que dejar de producir estructuras porque queríamos escribir sobre ello."
Para demostrar el éxito de este método para cada nanoestructura que desarrollaron, hasta el más mínimo nivel de detalle, los investigadores aprovecharon la experiencia y las instalaciones de imágenes de clase mundial en CFN y la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II). NSLS-II es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab que produce rayos X ultrabrillantes para iluminar la composición física, química y electrónica de muestras a escala atómica.
"No sólo creamos todas estas nanoestructuras, sino que caracterizamos completamente cada una de ellas para tratar de comprenderlas y procesarlas aún más", dijo Michelson. "Inicialmente, estos materiales podrían existir en algún estado intermedio, que podríamos procesar hasta un estado final, más funcional y útil".
Se necesitan varias propiedades para fabricar materiales útiles para tecnologías como los dispositivos semiconductores. Para este estudio, los investigadores impartieron conductividad eléctrica y fotoactividad a las nanoestructuras 3D. Por ejemplo, comenzaron con un material aislante y luego, a través de su nuevo método de ensamblaje dirigido por ADN que incorpora dos técnicas de infiltración, agregaron óxidos metálicos semiconductores, como el óxido de zinc, para que la nanoestructura pudiera heredar su conductividad eléctrica y fotoluminiscencia. /P>
Finalmente, para todos sus productos finales, llevaron las muestras a las instalaciones de imágenes de Brookhaven Lab para ver su composición volumétrica.
En CFN, el equipo utilizó las instalaciones de microscopía electrónica para producir vistas de alta resolución de sus estructuras después de la infiltración en fase de vapor, la infiltración en fase líquida y el apilamiento de ambas técnicas, para cada precursor utilizado.
Aprovecharon una combinación de microscopios electrónicos de transmisión y microscopios electrónicos de barrido, que generan imágenes con resolución a nanoescala analizando cómo los electrones rebotan o pasan a través de las muestras, respectivamente.
Estas técnicas permitieron a los investigadores producir vistas pintorescas de sus nanoestructuras y mapear sus disposiciones químicas con alta precisión y en áreas pequeñas de sus muestras.
Para obtener vistas en 3D de esta información en áreas más grandes, el equipo utilizó la línea de luz de Dispersión de Materiales Complejos (CMS) y la línea de luz de Nanoprobe de Rayos X Duros (HXN) en NSLS-II.
CMS es una línea de luz asociada operada conjuntamente por NSLS-II y CFN. Allí, los investigadores dirigieron los rayos X ultrabrillantes de NSLS-II a sus muestras, observando cómo los rayos X se dispersaban para inferir las disposiciones atómicas tridimensionales de las nanoestructuras. Mientras tanto, HXN proporcionó imágenes directas en 3D tanto de las estructuras como de sus "mapas" químicos.
Los investigadores utilizaron la técnica principal de HXN, la nanotomografía de rayos X, que funciona de manera similar a una tomografía computarizada médica. La línea de luz captura 180 proyecciones 2D de la muestra, girándola un grado a la vez. Luego, las computadoras construyen una imagen 3D a partir de la serie de proyecciones. Pero a diferencia de las tomografías computarizadas, HXN incorpora una nanosonda para capturar las proyecciones con resolución nanométrica.
"Este tipo de detalle químico no puede capturarse mediante otras técnicas ni ninguna otra instalación", dijo el coautor Hanfei Yan, científico principal de líneas de luz en HXN. "Y esta información fue muy importante para este estudio debido a la complejidad de las nanoestructuras. Descubrir la distribución elemental nos ayudó a determinar si el nuevo método era efectivo y si los recubrimientos penetraron completamente en la red".
Michelson dijo:"HXN nos proporcionó una resolución espacial y elemental que no podíamos lograr en ningún otro lugar. HXN nos ayudó a confirmar que estos recubrimientos no solo estaban presentes en las superficies del material, sino que en realidad eran volumétricos para la muestra".
El grupo utilizó anteriormente esta técnica para revelar la estructura tridimensional de redes de ADN con resolución de partícula única. Ahora, esta técnica les permitió revelar la disposición de nanocaracterísticas metálicas y semiconductoras en lo profundo de la muestra, lo cual fue importante para verificar la fidelidad y el poder de su método de fabricación.
Habiendo confirmado el éxito de su nuevo método, el CFN trabajará ahora para aplicar el método a investigaciones más complejas y ofrecerlo a los científicos visitantes. Como instalación para usuarios, CFN pone sus capacidades y experiencia a disposición de los "usuarios" de todo el país y el mundo. Ayudar a los experimentos de los usuarios no solo proporciona a los investigadores externos herramientas a las que normalmente no tendrían acceso, sino que también abre la puerta a nuevas colaboraciones e ideas científicas que de otro modo nunca se realizarían.
"Desarrollamos estos materiales y métodos, y eso es interesante para nuestros propios programas en CFN, pero también nos gustaría ver a los usuarios utilizar estos métodos para su propia investigación", dijo Gang. "Siempre pretendemos ampliar nuestros métodos y conectar a nuevos investigadores con nuestros desarrollos. Queremos que nuestro trabajo beneficie a la comunidad científica en general, no solo al Brookhaven Lab".
El ecosistema de experiencia e instalaciones de CFN que beneficiaron esta investigación también es un beneficio para los usuarios, y CFN amplía constantemente sus ofertas y las hace más accesibles. Por ejemplo, los científicos buscan implementar el nuevo método de investigación en una de las herramientas más nuevas del Centro, un robot de manipulación de líquidos.
"Desarrollar estos métodos y publicar artículos es sólo una parte de la misión general de CFN", dijo el coautor Jason Kahn, científico del Grupo de Nanomateriales Bio y Blandos de CFN.
"Otro objetivo importante de CFN es hacer que nuestro trabajo y nuestras instalaciones sean más accesibles, y eso significa desarrollar un protocolo estándar para que los usuarios sinteticen materiales con un alto rendimiento. Queremos que los usuarios puedan venir a nosotros y decir:'Quiero "Hacer este material con este espesor, estructura y composición para obtener estas propiedades específicas". La implementación del controlador de líquidos facilitará ese protocolo."
CFN también estudia las propiedades mecánicas de los nanomateriales, y materiales como los desarrollados en este trabajo tienen un gran potencial para mejorar el rendimiento mecánico, como demostró recientemente el grupo en otro estudio.
En general, el nuevo método de CFN para crear nanoestructuras 3D diseñadas, robustas y funcionalmente ajustables ha sentado las bases para avances en la fabricación avanzada a pequeña escala. Su trabajo podría permitir diversas tecnologías emergentes y brindará nuevas oportunidades para las iniciativas científicas y los usuarios del Brookhaven Lab.
Más información: Aaron Michelson et al, Estructuras tridimensionales de metales, óxidos metálicos y semiconductores a nanoescala mediante ensamblaje y plantillas programables por ADN, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl0604
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
