Pesquisadores nos Estados Unidos e em Israel desenvolveram uma maneira de fazer nanoestruturas supercondutoras 3D combinando DNA com nióbio e silício. Esta nova técnica pode ser usada para fazer amplificadores de sinal que aumentam a velocidade e a precisão dos computadores quânticos, bem como sensores de campo magnético ultrassensíveis para aplicações médicas e geofísicas.
Embora as técnicas tradicionais de nanofabricação, como litografia de feixe de elétrons, possam produzir nanoestruturas supercondutoras unidimensionais e bidimensionais, sua capacidade de produzir estruturas tridimensionais é limitada. Nos últimos 15 anos ou mais, os pesquisadores se voltaram para as técnicas de automontagem que usam DNA para construir estruturas em nanoescala 3D e integrá-las com nano-componentes inorgânicos funcionais.
Uma dessas técnicas, conhecida como “origami de DNA”, usa o emparelhamento natural das quatro bases de nucleotídeos do DNA – A, T, C e G – para produzir uma infinidade de formas de engenharia automontadas. O processo envolve dobrar uma longa fita única de DNA com a ajuda de fitas complementares mais curtas em locais específicos para fazer estruturas em nanoescala predefinidas. Essas nanoestruturas podem ser usadas como andaimes para a construção de arquiteturas em nanoescala 3D que podem ser “convertidas” em materiais inorgânicos, como supercondutores – como neste novo trabalho, que foi liderado por Oleg Gang, um nanoengenheiro da Universidade de Columbia e do Centro do Laboratório Nacional de Brookhaven para nanomateriais funcionais.
“Frames” de origami de DNA
Em seus experimentos, Gang e seus colegas da Columbia projetaram “quadros” de origami de DNA em formato octaédrico usando um pacote de software de computador chamado caDNAno. Cada borda dentro dos quadros compreende um feixe de seis hélices de DNA com 28,6 nm de comprimento e 84 pares de bases. Em cada extremidade desses feixes, os pesquisadores adicionaram uma cadeia de DNA de fita simples que media cerca de 2 nm de comprimento e foi projetada para complementar a cadeia de DNA do origami de DNA oposto.
Para melhor visualizar (e posteriormente caracterizar) a estrutura, os pesquisadores inseriram nanopartículas de ouro de 10 nm de diâmetro em cada “gaiola” octaédrica, onde as partículas eram mantidas no lugar por uma estrutura feita de DNA que é complementar às fitas internas do quadro, Armação. Os pesquisadores então montaram as gaiolas em uma super-rede cúbica simples de octaedros feita de dois pares de estruturas e projetada para ter fitas de DNA específicas visando quatro contrapartes complementares no plano e duas contrapartes fora do plano. As amostras de superrede resultantes são flocos de 5-10 mícrons de comprimento e 1-3 mícrons de espessura, e os pesquisadores usaram espalhamento de raios-X de pequeno ângulo na fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven II para confirmar sua estrutura em nanoescala.
Arquitetura 3D mecanicamente robusta
A equipe então solidificou seu conjunto usando uma técnica de química úmida para revestir as estruturas do DNA com uma camada de dióxido de silício. “Em sua forma original, o DNA é completamente inutilizável para processamento com métodos convencionais de nanotecnologia”, explica Gang. “Mas uma vez que revestimos o DNA com sílica, temos uma arquitetura 3D mecanicamente robusta na qual podemos depositar materiais inorgânicos usando esses métodos. Isso é análogo à nanofabricação tradicional, em que materiais valiosos são depositados em substratos planos, normalmente silício, para adicionar funcionalidade.”
A próxima etapa foi usar uma técnica de evaporação para revestir as superredes revestidas de sílica com uma camada de nióbio de cerca de 10 nm de espessura. Essa parte do trabalho foi realizada no Instituto de Supercondutividade da Universidade Bar-Ilan em Israel. Lá, os pesquisadores liderados por Yosi Yesurun controlaram cuidadosamente a temperatura do substrato de silício e a taxa na qual eles depositaram o nióbio, de modo que o nióbio apenas revestisse a amostra e não penetrasse completamente através dela. Eles fizeram isso para evitar curto-circuito entre os eletrodos usados para medições posteriores de transporte eletrônico.
Uma matriz periódica de junções Josephson
Uma vez que esta etapa foi concluída, os pesquisadores usaram microscopia de transmissão de varredura com espectroscopia dispersiva de energia (STEM-EDS) para verificar a estrutura de suas amostras. Esta técnica de imagem revelou uma estrutura de superrede porosa composta de DNA revestido de sílica e nanopartículas de ouro “traçadores”.
Esta estrutura forma uma matriz periódica de junções Josephson – barreiras finas não supercondutoras através das quais túneis de corrente supercondutora – com o nióbio na superrede sendo confinado principalmente aos três pares superiores de camadas de octaedros (que têm uma espessura total de cerca de 290 nm). Como uma etapa final, os pesquisadores mediram as características de corrente-tensão de suas superredes em temperaturas entre 1,9 e 3,7 K. As curvas produzidas são típicas de junções Josephson simples – isto é, elas mostram voltagem zero para correntes até um certo dependente da temperatura corrente crítica (indicada pelo aparecimento de resistência) e então um aumento gradual da tensão.
Gang e colegas observam que as junções Josephson são componentes-chave para alavancar fenômenos quânticos em tecnologias práticas, com exemplos incluindo os dispositivos de interreferência quântica supercondutores (SQUIDs) usados para detectar campos magnéticos. A natureza tridimensional das junções Josephson criadas neste trabalho significa que mais delas podem ser embaladas no mesmo pequeno volume, o que poderia aumentar a potência de um dispositivo que as usa.
Embora o DNA não seja necessariamente o material funcional mais útil para esse trabalho, os pesquisadores afirmam que demonstraram que a organização complexa do DNA pode, em princípio, ser usada para criar materiais supercondutores 3D altamente nanoestruturados. “Esta via de conversão de material nos dá a capacidade de fazer uma variedade de sistemas com propriedades interessantes – não apenas supercondutividade, mas também outras propriedades eletrônicas, mecânicas, ópticas e catalíticas”, relatam. “Podemos imaginar isso como uma “litografia molecular”, em que o poder da programabilidade do DNA é transferido para a nanofabricação inorgânica 3D.”
Estimulados por esta possibilidade, os pesquisadores, que relatam seu trabalho na Nature Communications, dizem que agora planejam aplicar a mesma estratégia para criar nanomateriais inorgânicos 3D altamente estruturados com uma ampla gama de funções.
Publicado em 25/11/2020 11h00
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