Materiali nanostrutturati tridimensionali (3D) che possono condurre elettricità senza resistenza potrebbero essere utilizzati in una gamma di dispositivi quantistici. Ad esempio, tali nanostrutture superconduttive 3D potrebbero trovare applicazione negli amplificatori di segnale per migliorare la velocità e la precisione dei computer quantistici. Nonché nei sensori di campo magnetico ultrasensibile per l’imaging medico e la mappatura geologica del sottosuolo. Tuttavia, gli strumenti di fabbricazione tradizionali come la litografia sono limitati alla creazione di nanostrutture 1D e 2D come fili superconduttori e film sottili.

La svolta verso materiali 3D

Ora, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), della Columbia University e della Bar-Ilan University in Israele hanno sviluppato una piattaforma per realizzare nano-architetture 3D superconduttive con un’organizzazione prescritta. Come riportano in un articolo su Nature Communications, questa piattaforma si basa sull’autoassemblaggio del DNA nelle forme 3D desiderate su scala nanometrica. Nell’autoassemblaggio del DNA, un singolo lungo filamento di DNA viene piegato da fili più corti di “fiocco” complementari in punti specifici – simile all’origami, l’arte giapponese di piegare la carta.

“A causa della sua programmabilità strutturale, il DNA può fornire una piattaforma di assemblaggio per la costruzione di nanostrutture progettate. Tuttavia, la fragilità del DNA lo fa sembrare inadatto per la fabbricazione di dispositivi funzionali. In questo studio, abbiamo mostrato come il DNA possa fungere da impalcatura per la costruzione di architetture in nanoscala 3D. Tali strutture possono essere completamente ‘convertite’ in materiali inorganici come i superconduttori.”,

ha detto l’autore co-corrispondente Oleg Gang, leader del Soft and Bio Nanomaterials Group presso il Brookhaven Lab’s Center for Functional Nanomaterials (CFN). Per realizzare l’impalcatura, gli scienziati di Brookhaven e Columbia Engineering hanno progettato per primi dei “telai” di origami di DNA di forma ottaedrica. Aaron Michelson, lo studente laureato di Gang, ha applicato una strategia programmabile dal DNA in modo che questi frame si assemblino nei reticoli desiderati. Quindi ha utilizzato una tecnica chimica per rivestire i reticoli del DNA con biossido di silicio (silice), solidificando le costruzioni originariamente morbide, che richiedevano un ambiente liquido per preservare la loro struttura.

“Nella sua forma originale, il DNA è completamente inutilizzabile per l’elaborazione con i metodi nanotecnologici convenzionali. Ma una volta rivestito il DNA con silice, abbiamo un’architettura 3D meccanicamente robusta su cui possiamo depositare materiali inorganici utilizzando questi metodi.”

ha detto Gang.

Un nuovo passo avanti per tecnologie quantistiche

All’Institute of Superconductivity, lo studente laureato di Yeshurun ​​Lior Shani ha fatto evaporare un superconduttore a bassa temperatura (niobio) su un chip di silicio contenente un piccolo campione dei reticoli. La velocità di evaporazione e la temperatura del substrato di silicio dovevano essere attentamente controllate. In tal modo il niobio riveste il campione ma non lo penetra completamente. Se ciò accadesse, potrebbe verificarsi un cortocircuito tra gli elettrodi utilizzati per le misure di trasporto elettronico.

Le misurazioni hanno rivelato una serie 3D di giunzioni Josephson, o sottili barriere non superconduttive attraverso le quali gallerie di corrente superconduttrice. Gli array di giunzioni Josephson sono fondamentali per sfruttare i fenomeni quantistici nelle tecnologie pratiche, come i dispositivi di interferenza quantistica superconduttori per il rilevamento del campo magnetico. In 3D, più giunzioni possono essere raggruppate in un piccolo volume, aumentando la potenza del dispositivo.

“L’origami di DNA ha prodotto strutture 3D su scala nanometrica bellissime e ornate per quasi 15 anni, ma il DNA stesso non è necessariamente un materiale funzionale utile. Ciò che il prof. Gang ha mostrato qui è che è possibile sfruttare l’origami del DNA come modello per creare utili nanostrutture 3D di materiali funzionali, come il niobio superconduttore. Questa capacità di progettare arbitrariamente materiali complessi lo farà accelerare gli sforzi di modernizzazione dell’esercito in settori come il rilevamento, l’ottica e l’informatica quantistica “.

ha affermato Evan Runnerstrom, responsabile del programma per la progettazione dei materiali presso il Laboratorio di ricerca dell’esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell’esercito americano di l’US Army Research Office, che ha finanziato in parte il lavoro.

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