用金属化DNA纳米光刻的图案化石墨烯

在左侧，金属化DNA（红色）在石墨烯表面上形成字母。用氧等离子体处理将字母的形状蚀刻到石墨烯中，右。图像：钟晋

通过使用折叠的DNA来控制无机材料的纳米结构，工程师操纵分子形成不同的纳米级形状，这可能是大规模生产由石墨烯制成的电子芯片的重要步骤。

DNA的独特结构是携带遗传信息的理想选择，但科学家最近发现了用于剥削这种多功能分子的方法以便其他目的：通过控制DNA序列，它们可以操纵分子以形成许多不同的纳米级形状。

麻省理工学院和哈佛大学的化学和分子工程师现在通过使用折叠的DNA来控制无机材料的纳米结构来扩展这种方法。在构建各种形状的DNA纳米结构之后，它们使用分子作为模板，以在石墨烯片上产生纳米级图案。这可能是大规模生产由石墨烯制成的大规模生产的重要步骤，一种具有独特的电子性质的单件厚的碳。

“这为我们提供了一种化学工具，用于在纳米尺度上编程形状和图案，例如，形成电子电路，例如，MIT化学工程教授Michael Strano说，这是一篇关于4月9日的技术的纸张的高级作者自然通信问题。

彭贤，哈佛医学院系统生物学助理教授和哈佛大学智能学院的生物学启发工程研究所的成员，也是本文的高级作者，而MIT Postdoc Zhong Jin是潜在作者。其他作者是哈佛邮政编码威孙和永港凯，麻省理工学院研究生李仁·施和杰拉尔丁·帕鲁斯，而麻省理工学院博士王和箱仓。

这些DNA纳米结构中的大多数是使用在阴的实验室中开发的新方法制造的。使用称为单链瓦片的短合成DNA链构建具有精确规定的形状的复合DNA纳米结构。这些瓷砖中的每一个都像互锁玩具砖一样，与四个指定的邻居捆绑。

利用这些单股瓦片，尹的实验室创造了100多个不同的纳米尺度形状，包括大写英语字母和许多表情符号的完整字母。这些结构使用计算机软件设计，可以在简单的反应中组装。或者，可以使用称为DNA折纸的方法构建这种结构，其中许多短链的DNA折叠长链成所需的形状。

然而，在暴露于阳光或氧气时，DNA倾向于降解，并且可以与其他分子反应，因此它不理想的是长期建筑材料。“我们希望利用更稳定的纳米材料的性质进行结构应用或电子产品，”Strano说。

相反，他和他的同事将DNA中编码的精确结构信息转移到Sturdier Graphene。斯特拉诺说：所涉及的化学过程相当简单，说：首先，使用称为氨基吡啶的分子将DNA锚定到石墨烯表面上，其在结构中与石墨烯相似。然后将DNA沿表面涂覆有小簇，其允许随后的金层沉积在银的顶部。

一旦分子涂覆金，稳定的金属化DNA可以用作称为等离子体光刻的过程的掩模。氧等离子体，离子化分子的非常反应性“气体流动”，用于磨损任何未受保护的石墨烯，留下与原始DNA形状相同的石墨烯结构。然后将金属化DNA用氰化钠洗掉。

塑造石墨烯电路

研究团队使用这种技术来创建几种类型的形状，包括X和Y结，以及环和丝带。他们发现，尽管大多数结构信息被保留，但是当DNA涂覆金属时，一些信息丢失，因此该技术尚未作为另一种称为电子束光刻的技术精确。

然而，使用电子束雕刻成石墨烯的电子束光刻是昂贵的并且需要很长时间，因此将其扩展到大规模生产的电气或由石墨烯制成的其他部件非常困难。

科学家特别兴趣的一种形状是一个石墨烯色带，这是一个非常窄的石墨烯条，限制了材料的电子，给予了新的性质。石墨烯通常没有带隙 - 任何材料用作典型晶体管所需的性质。然而，石墨烯丝带确实具有带隙，因此它们可以用作电子电路的组件。

“使用石墨烯对于数字电子产品仍有兴趣。石墨烯本身对此并不理想，但如果将其塑造成丝带，则可能是可能的，“Strano说。

科学家们也对石墨烯环感兴趣，因为它们可以用作量子干涉晶体管，当电子流绕圆圈时产生的新型晶体管。这种行为最近才观察到，这种制造技术可以让科学家们创造许多环，以便他们可以更彻底地研究这种现象。

在长期内，DNA纳米结构制造策略可以帮助研究人员设计和构建由石墨烯制成的电子电路。到目前为止，这一直很困难，因为将微小的碳结构（例如纳米管和纳米线）置于石墨烯片上是挑战性的。然而，使用金属化DNA面膜在石墨烯上排列结构可以使过程更容易。

新方法是“概念上的小说”，加州大学加州大学的化学与环境工程教授罗伯特·哈顿（Riverside）是研究团队的一部分。“该工作表明了自组装的金属化DNA纳米建筑用作基于石墨烯的电子电路元件的晶片级图案化的光刻掩模。我相信这种方法将促进纳米透析技术在基于石墨烯的纳米电子中的应用进一步研究。“

该研究由海军研究办公室，国防先进研究项目，国家科学基金会和军队研究办公室通过麻省理工学院纳米技术研究所提供资金。

出版物：钟金等，“用于编码和转移石墨烯图案化的空间信息的金属化DNA纳米光刻，”自然通信4，物品编号：1663; DOI：10.1038 / ncomms2690

图像：钟晋

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