纳米科学发展迅速有趣 DNA纳米线中检测到电流
2016-11-11 14:42:10   来源:新华网
内容摘要
近日,德国研究人员首次在单链DNA自组装纳米线中检测到电流。虽然研究人员真实检测到电流传导,但电流大小与周围温度有关。接下来他们会继续改进,在金粒子中加入导电聚合物材料,优化金属化过程。其实在纳米尺度下,对材料和结构进行设计非常困难,这是由于金属和半导体材料的物理化学性质在该尺度下会异于常态,其结构的可控性也变得极低。

纳米科学进展迅速有趣 德国在DNA纳米线检测到电流 IT科技年


据德国赫姆霍兹研究中心官网2016年11月9日报道,该中心德累斯顿罗森多夫实验室和帕德博恩大学研究人员在开发遗传物质电路方面取得突破:他们通过加入镀金纳米粒子,首次在单链DNA自组装纳米线中检测到电流。相关研究发表在科学期刊《朗缪尔》(Langmuir)上。

近年来,计算机芯片重要元件已缩小至14纳米,但传统工艺总是从较大尺寸逐步剪切成想要的结构,这种“自上而下”的方法现已达到物理极限,缩小尺寸越来越难。研究人员一直在寻求可替代的方法,而用原子和分子自组装复杂组件是其中之一。

这种自组装就像折纸技术,是一种颠覆传统工艺的“自下而上”方法,小分子自组装成更大的复杂结构,无需剪切缩小。参与研究的阿图尔·埃布解释说,这次的DNA纳米电线是利用一条较长的单链DNA与几个较短DNA片段通过碱基对作用形成,这种DNA折叠技术获得的元件比现有最小计算机芯片组件还要小很多,能用来制造非常小的电路。

但DNA电线长期面临一大难题:不能很好传导电流。埃布和同事克服了这一难题,他们将镀金纳米颗粒键合到DNA电线上,再用电子束光刻技术让每条纳米电线通过电极相连。“将较大电极与DNA结构相连,解决了困扰已久的技术难题,现在我们首次能精确地检测DNA电线内流经的电荷量。”埃布解释道。

虽然研究人员真实检测到电流传导,但电流大小与周围温度有关。室温下,纳米线导电性能正常,即使电线间结合不紧密,也会有电子从一个金粒子跳到另一个金粒子上形成电流。

埃布指出,目前只能测出有电流,由于传输距离太短,最先进的显微镜也无法捕捉。接下来他们会继续改进,在金粒子中加入导电聚合物材料,优化金属化过程,用性价比更高的金属取代金粒子等。


生物DNA可调控金属纳米物质的合成

工程设计蕴涵着先进科技,同时充满了艺术魅力。一个高效的程序,一部精密的设备,一个复杂的集成电路,无不反映着工程的科学性和设计性。智能电子设备和生物医疗等产业的飞速发展,对工程设计的精度提出了越来越高的要求,尺度范围已进入纳米级别(1纳米=10-9米,大约是成人毛发生长1秒的长度)。三星电子定于2016年晚些时候投产的10nm芯片生产工艺是一个典型例证,该工艺将使处理器功耗降低40%,速度提升20%。

在纳米尺度下,对材料和结构进行设计非常困难,这是由于金属和半导体材料的物理化学性质在该尺度下会异于常态,其结构的可控性也变得极低。如何根据特定的要求对纳米材料进行设计和合成,并在可控度和精度上取得突破,是当前世界范围内材料和化学工程师共同面对的难题之一。

最近,韩国高丽大学研究教授、成均科技有限公司合伙人马兴毅博士及其合作者将人们所熟知的基因片段(DNA分子)应用在没有生命的无机化学领域,首次利用DNA调控了金纳米颗粒在溶液中的定向生长,创新出了“设计+合成”一步到位的金属纳米材料的制备方法。该研究同时由美国加州大学伯克利分校、尔湾分校和科罗拉多大学博尔德分校的研究者参与完成,相关成果“Gold nanocrystals with DNA-directed morphologies(形貌由DNA调控的金纳米晶体)”在国际著名期刊Nature Communications上发表。

在生命体中,DNA可指导生物功能分子蛋白质的合成,进而控制生命过程。在该研究中,DNA被利用在没有生命的无机化学范畴,来指导金属纳米材料的合成。通过控制反应体系,DNA可控制金原子沿着特定的方向结晶生长;通过控制DNA分子的数量和形态,可以合成出具有不同形貌和结构的金纳米颗粒,最终获得具有自定义属性的材料。例如,特定数量的直线型DNA调控合成出具有特定分枝数量的星状纳米颗粒,不同的分枝结构产生不同的光学吸收性能,在光谱中显示为不同的特征曲线;将不同的生物抗体结合到纳米颗粒表面之后,可以捕获人体血液中对应的致病抗原,进而实现实时、多功能的医学光谱诊断。更为有趣的是:某原核细胞中的质粒DNA调控合成出纳米尺寸的金花,这朵金花的花瓣小于100纳米,花茎细到5纳米,差不多是目前世界上最小的一个。

对纳米尺度的金属材料实现精确可控的、结构可自定义的程式化设计,是当前材料界的重大突破,这意味着人们在微观世界获得了工程设计的主动权,并可创造更多充满结构艺术性和功能先进性的新型纳米材料,这将给纳米技术的发展带来巨大推动力。“信息技术、纳米技术和生物技术一起被公认为21世纪的三大高新科技,世界主要国家已经在这些领域展开激烈竞争并希望推进新一轮产业革命。”马教授进一步解释道:“实际上,三大技术都涵盖许多学科,彼此之间相互融合而非孤立。以往,纳米技术更多地服务于生物技术,比如纳米材料应用于生物医学诊断和治疗;现在,我们反向思考,使生物分子服务于纳米技术的研究。各种生物分子组成了一个百宝箱,它们在千百万年的生命进化过程中仿佛已经充满灵性,可以帮助纳米工程师解决很多之前无法解决的问题。我们的研究工作只是一个开始,希望这个工作可以给予研究者更多的灵感,去推进纳米生物技术的深层次发展。”


DNA支架能自组装成单电子器件 无需低温环境

据美国电气和电子工程师协会《光谱》杂志官网近日报道,芬兰科研人员研究发现,DNA(脱氧核糖核酸)支架无需低温环境,就能够自组装成固定模型,并将纳米颗粒融合到功能性结构中,集成单电子器件。相关成果发表在近期《纳米通讯》杂志上。

DNA支架技术是纳米生物学的重要组成部分。DNA分子除具有基因的遗传特性外,还是一个结构精巧的一维纳米线。将DNA与纳米材料组合起来,可为生命科学、材料科学、环境科学等领域带来前所未有的推动作用。

现在,芬兰韦斯屈莱大学纳米科学中心和坦佩雷大学生物医学技术中心的研究人员,使用DNA支架将三个金纳米粒子组装到单电子晶体管中。DNA支架此前曾被用来将金纳米颗粒组织成图案,但这次的工作首次表明,DNA支架可被用于构建精确的、可控的、完全具备电气特征的单电子纳米器件,使其无需在低温下也能正常工作。

电子在单电子器件中的传输方式与在常规电子器件中相比完全不同。对于单电子器件而言,电子受量子力学控制。而在这些器件中,存在一种包含电子的“岛”,它由一种能控制电子隧穿的“隧道结”来控制。隧道结在被称为“库伦阻塞”的量子机械现象下工作,在这种现象中,器件内部的电子产生强烈的排斥感,能阻止其他电子循环。

芬兰研究人员制造了单电子晶体管(SET),能观察单电子经过隧道结离开或到达“岛”的效果,一个重要的观察结果是,室温下也存在一个明显的库伦阻塞现象。虽然这不是第一次在较高温度下观察到这种现象,但重要之处在于,自组装DNA支架可以让这些器件的生产更具可扩展性。

芬兰国家安全委员会成员、研究团队资深研究员朱希·陶坡里在接受《光谱》杂志采访时表示:“这种基于DNA自组装的器件是一个巨大的进步,能很容易扩展到大规模生产。”


纳米科学进展迅速有趣

近期,纳米科学又有不少有趣的新进展。英国《自然》杂志于2016年7月13日在线发表瑞士洛桑联邦理工大学的研究报告称,依靠一种“纳米窟窿膜”,咸水和淡水之间的“渗透能”也可以发电。研究人员制造了一种二硫化钼纳米膜,只有三个原子厚,这种膜上的纳米洞大小适中,恰好能让咸水中的阳离子通过,拦截了大多数的阴离子。如果膜的一边是咸水,一边是淡水,阴阳离子就会分开,形成电势,从而发电。

科学家还让一种古老的微生物吐出了纳米电路。地杆菌生活在土壤里,它能分泌一种能导电的蛋白质,靠这个本事吃土壤里的铁和其他金属,因此颇受环境修复工作者青睐。前几年,科学家用地杆菌的导电蛋白质,制成了纳米级的电线。而最近一篇论文宣称:美国科学家修改了地杆菌的基因,让它分泌出更多色氨酸。色氨酸是一种让你在大餐后昏昏欲睡的物质,在纳米尺度下导电良好。

新版地杆菌吐出的电线,不仅导电性比过去提高了2000倍,而且直径只有1.5纳米,是最细的纳米导电线之一。这种电线非常结实,以至于需要花好几个月才能降解。科学家还准备让地杆菌生产纳米晶体管和电容,最后装配出一套纳米电路。

最华丽的纳米作品,或许是2016年7月11日《自然》官网报道的梵高名画。在硬币大小的几个玻璃皿中,梵高作品《星空》的局部被再现,涂抹的痕迹酷似油画颜料。

这项技术叫“dna折纸”,由加州理工大学发明。原理是先用dna长链折叠成想要的形状,用dna短链的“铆钉”衔接,然后在盐水中加热,让适当的组件自己挂到dna的钩子上。如果将荧光分子组装到合适位置,就能映出一副《星空》的明暗轮廓。以前,dna折纸术被用来绘制笑脸图案,甚至还画过一张西半球的地图,在纽约现代艺术博物馆里展出。这次组装《星空》的程序,前所未有的复杂,也能用来组装复杂的纳米装置。

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