Новое открытие об образовании кристаллов на поверхности продвигает полупроводники и нанотехнологии

Самосборная система на основе ДНК проливает свет на процессы, необходимые для полупроводников и нанотехнологий. Процесс кристаллизации, в котором атомы или молекулы выстраиваются в упорядоченные массивы, такие как солдаты в строю, является основой для многих материалов, определяющих современную жизнь, включая кремний в микрочипах и солнечных элементах. Но хотя многие полезные приложения для кристаллов включают их рост на твердых поверхностях (а не в растворе), существует недостаток хороших инструментов для изучения этого типа роста.

Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института и Дрейпера нашла способ воспроизвести рост кристаллов на поверхностях, но в более широком масштабе, который значительно облегчает изучение и анализ процесса. Новый подход описан в статье, опубликованной в журнале Nature Materials Робертом Макфарлейном и Леонардо Зомбергом в Массачусетском технологическом институте, а также Дианой Льюис, доктором наук с 19-го года и Дэвидом Картером в Драпере.

Макфарлейн объясняет, что вместо того, чтобы собирать эти кристаллы из реальных атомов, ключом к тому, чтобы сделать процесс легким для наблюдения и количественного определения, было использование “программируемых эквивалентов атомов” или PAE. Это работает, потому что способ, которым атомы выстраиваются в кристаллические решетки, полностью зависит от геометрии и не зависит от конкретных химических или электронных свойств его составляющих.

Команда использовала сферические наночастицы золота, покрытые специально отобранными одиночными нитями генно-инженерной ДНК, придавая частицам примерно вид шариков Куша. Одиночные нити обладают свойством плотно прикрепляться к соответствующим реципрокным нитям, образуя классическую двойную спираль, поэтому такая конфигурация обеспечивает надежный способ заставить частицы точно совмещаться в нужном направлении.

“Если я наложу очень плотную сеть ДНК на частицу, она будет иметь как можно больше связей с максимально возможным количеством ближайших соседей”, – говорит Макфарлейн. – “И если вы все спроектируете и правильно обработаете, они сформируют упорядоченные кристаллические структуры”. Хотя этот процесс известен уже несколько лет, эта работа первой применила этот принцип для изучения роста кристаллов на поверхностях.

“Понимание того, как кристаллы растут вверх от поверхности, невероятно важно для многих областей”, – говорит он. Например, полупроводниковая индустрия основана на выращивании крупных монокристаллических или многокристаллических материалов, которые должны контролироваться с большой точностью, однако детали процесса трудно изучить. Вот почему использование негабаритных аналогов, таких как PAE, может быть таким преимуществом.

Он говорит, что PAE “кристаллизуются точно так же, как молекулы и атомы. И поэтому они – очень хорошая прокси-система для понимания того, как происходит кристаллизация”. С помощью этой системы свойства такой ДНК определяют, как частицы собираются и в какой конфигурации они находятся.

Они разработали систему таким образом, что кристаллы зарождаются и растут, начиная с поверхности, и “подстраивая взаимодействия как между частицами, так и между частицами и поверхностью, покрытой ДНК, мы можем диктовать размер, форму, ориентацию и степень анизотропии (направленности) в кристалле”, – говорит Макфарлейн.

“Поняв процесс, который происходит на самом деле для формирования этих кристаллов, мы можем потенциально использовать это для понимания процессов кристаллизации в целом”, – добавляет он.

Он объясняет, что не только полученные кристаллические структуры примерно в 100 раз больше, чем фактические атомные, но их процессы образования также намного медленнее. Комбинация делает процесс намного проще для детального анализа. Более ранние методы характеризации таких кристаллических структур только показали их конечные состояния, таким образом пропуская сложности в процессе формирования.

“Я мог бы изменить последовательность ДНК. Я могу изменить количество нитей ДНК в частице. Я могу изменить размер частицы и настроить каждую из этих отдельных ручек независимо”, – говорит Макфарлейн. – “Так что, если бы я хотел сказать, то хорошо, я предполагаю, что эта конкретная структура могла бы быть предпочтительной в этих условиях, если бы я настроил энергетику таким образом, чтобы эту систему было гораздо проще изучать с PAE, чем с самими атомами.

Система очень эффективна, говорит он, но нити ДНК, модифицированные таким образом, который позволяет прикрепляться к наночастицам, могут быть довольно дорогими. В качестве следующего шага лаборатория Macfarlane также разработала строительные блоки на основе полимеров, которые обещают воспроизвести те же самые процессы и материалы кристаллизации, но их можно недорого сделать в многограммовом масштабе.