分子光刻：用DNA制作三维纳米超导体

三维(3-D)纳米结构材料-那些具有复杂形状的材料，大小为十亿分之一米-可以无电阻导电，可以用于一系列量子设备。例如，这种三维超导纳米结构可以应用于信号放大器，以提高量子计算机和用于医学成像和地下地质测绘的超灵敏磁场传感器的速度和精度。然而，传统的制造工具，如光刻技术，已经局限于一维和二维纳米结构，如超导导线和薄膜。现在，来自美国能源部布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和以色列巴伊兰大学的科学家们已经开发出一种平台，可以在规定的组织下制作三维超导纳米结构。据11月10日出版的《自然通讯》报道，该平台基于DNA在纳米尺度上自组装成所需的3-D形状。在DNA自组装过程中，一条很长的DNA链由较短的互补DNA链在特定位置折叠--类似于折纸--日本的折纸艺术。

布鲁克海文实验室(Brookaven Lab)功能纳米材料中心(Center for Functional Nanomaterals，CFN)软质和生物纳米材料小组组长、化学工程、应用物理学和哥伦比亚工程(Columbia Engineering)教授、共同通讯作者奥列格·冈(Oleg Gang)表示，由于其结构可编程性，DNA可以为构建设计的纳米结构提供组装平台。然而，DNA的脆弱性使得它似乎不适合于需要无机材料的功能器件制造和纳米制造。在这项研究中，我们展示了DNA如何作为构建3D纳米结构的支架，这种结构可以完全转化为超导体等无机材料。

为了制作这个支架，布鲁克海文和哥伦比亚工程学院的科学家首先设计了八面体形状的DNA折纸框架。亚伦·迈克尔森(Aaron Michelson，Gang)应用了DNA可编程的策略，使这些框架可以组装成所需的晶格。然后，他使用一种化学技术在DNA晶格上涂上一层(二氧化硅)，固化了原本柔软的结构，这需要液体环境来保存它们的结构。研究小组对制造过程进行了调整，以使结构与设计相符，这一点得到了CFN电子显微镜设备的成像和布鲁克海文国家同步辐射光源II(NSLS-II)的复杂材料散射光束线的小角X射线散射的证实。这些实验表明，包覆DNA晶格后，结构的完整性得以保留。

Gang说，在最初的形式下，DNA完全不能用传统的纳米技术方法进行加工。但是，一旦我们在DNA上涂上二氧化硅，我们就有了一个机械上坚固的3-D结构，我们可以用这些方法在上面沉积无机材料。这类似于传统的纳米制造，有价值的材料被沉积在平面衬底上，通常是硅，以增加功能。

该团队将涂有二氧化硅的DNA晶格从CFN运往巴伊兰超导研究所，该研究所由尤西·叶舒伦(Yosi Yeshurun)领导。刚和叶书润是在几年前相识的，当时刚在一个关于DNA组装研究的研讨会上发表了讲话。叶舒伦在过去十年里一直在纳米尺度上研究超导的性质，他认为冈萨雷斯基于DNA的方法可以为他试图解决的一个问题提供解决方案：我们如何才能制造出三维的超导纳米结构？

在此之前，用传统的制造技术制造三维纳米超导体涉及到一个非常复杂和困难的过程，共同通讯作者耶舒伦(Yeshurun)说。在这里，我们利用奥列格的DNA结构找到了一种相对简单的方法。

在超导研究所，耶舒伦的研究生Lior Shani将一种低温超导体(Nb)蒸发到含有少量晶格样本的硅芯片上。必须仔细控制蒸发速率和硅衬底温度，以使Nb包覆在样品上，但不会完全渗透。如果发生这种情况，用于电子传输测量的电极之间可能会出现短路。

我们在基片上切割了一条特殊的通道，以确保电流只会通过样品本身，叶舒伦解释说。

测量结果显示了约瑟夫森结的三维阵列，也就是超导电流通过的薄薄的非超导势垒。约瑟夫森结阵列是在实际技术中利用量子现象的关键，例如用于磁场传感的超导量子干涉器件。在3-D模式下，可以将更多的结合点放入一个小体积中，从而增加设备的功率。

美国陆军研究办公室美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的材料设计项目经理埃文·伦纳斯特罗姆(Evan Runnerstrom)说，近15年来，DNA折纸一直在制造美丽华丽的三维纳米结构，但DNA本身并不一定是一种有用的功能材料。美国陆军研究办公室陆军研究实验室为这项工作提供了部分资金。刚教授在这里展示的是，你可以利用DNA折纸作为模板，创建有用的功能材料的3-D纳米结构，比如超导Nb。这种自下而上任意设计和制造复杂的3-D结构功能材料的能力，将加速陆军在传感、光学和量子计算等领域的现代化努力。

我们展示了如何利用复杂的DNA组织来创造高度纳米结构的3-D超导材料的途径，冈说。这种材料转化途径使我们有能力制造出各种具有有趣性质的系统--不仅是超导性能，而且还有其他电子、机械、光学和催化性能。我们可以把它想象成一种分子光刻技术，将DNA可编程性的力量转移到3-D无机纳米制造上。