“分子光刻”，可编程DNA，3D无机纳米

  纳米级超导结构的研究揭示了各种物理现象，并导致了许多领域里的应用。但是由于缺乏创建完全工程化的三维3D纳米结构的方法，这些研究大多集中于一维和二维结构。传统的制造工具（如光刻）仅限于一维1D和二维2D纳米结构，如超导线和薄膜。

美国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开发了一个途径，可通过指定的组织制造3D超导纳米体系结构。该研究成果论文，题为：“DNA组装的超导3D纳米级架构”，发表在《自然通讯》上。

该研究基于将DNA自组装成所需的纳米级3D形状的平台。在DNA自组装中，一条DNA长链在特定位置被较短的互补的如“钉书钉”的链折叠起来，这类似于纸张折叠技术，所以称为DNA折纸技术：用DNA分子、而非纸作为材料，是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个新领域。

研究人员提出了一种“自下而上”的方法，该方法使用基于DNA的自组装方法按规定的多尺度组织来创建3D超导纳米结构，通过八面体DNA框架的顶点处的连接框架，从掺入了纳米粒子的八面体DNA框架组装3D的DNA超晶格，从而形成具有48纳米晶胞的立方超晶格。

该超导超晶格是通过将DNA超晶格首先转换为高度结构化的3D二氧化硅支架而形成，将其从依赖于软性和液体环境的大分子结构转变为固态结构，然后涂覆超导铌（Nb）。如图所示从八面体DNA框架和金纳米粒子组装3D超晶格的示意图，并将其转换为二氧化硅和超导结构。

通过低温电学表征，研究证明了该过程创建了约瑟夫森结的3D阵列。此方法可用于许多应用领域，例如用于测量磁场矢量的3D超导量子干涉设备（SQUID）、高灵敏度超导量子干涉滤波器（SQIF）、和用于量子信息系统的参数放大器等多种量子器件中，以提高用于医学成像、地下地质测绘的量子计算机和超灵敏磁场传感器的速度和准确性。

研究人员表示：“由于其结构的可编程性，DNA可以为构建设计的纳米结构提供一个组装平台。”哥伦比亚工程学院的工程学和应用物理与材料科学专业。“但是，DNA的脆弱性使其似乎不适合需要无机材料的功能设备制造和纳米制造。在这项研究中，我们展示了DNA如何充当构建3D纳米级结构的支架，该结构可以完全“转化”为无机材料，例如超导体。”

为了制作支架，研究人员首先设计了八面体形状的DNA折纸“框架”，应用了DNA可编程策略，以便将这些框架组装成所需的晶格。然后，用化学技术用二氧化硅包裹DNA晶格，固化原来柔软的结构，这需要液态环境来保持其结构。

研究团队量身定制了制造工艺，以使结构符合其设计要求，通过CFN电子显微镜工厂的成像以及布鲁克海文国家同步加速器光源II（NSLS-II）在复杂材料散射光束线上的小角度X射线散射得到了证实。实验表明，在覆盖DNA晶格后，结构完整性得以保留。如图所示Nb涂层超晶格的电子显微镜表征和元素分析。

研究人员说：“DNA的原始形式完全无法用于传统的纳米技术方法中。” “但是一旦我们用二氧化硅包裹DNA，我们就拥有了机械坚固的3D结构，我们可以使用这些方法沉积无机材料。这类似于传统的纳米制造，有价值的材料被沉积在平坦的基板上，通常是硅，以添加功能。”

研究人员说：“以前，使用传统的制造技术制造3D纳米超导体涉及非常复杂且困难的过程。” “在这里，我们发现了使用新的DNA结构的相对简单的方法。”

研究人员将低温超导体（铌）蒸发到包含少量晶格样品的硅芯片上。必须仔细控制蒸发速率和硅衬底温度，以使铌覆盖样品，但不会完全渗透。如果完全渗透，则用于电子传输测量的电极之间可能会发生短路。研究人员在基板上切开了一个特殊的通道，以确保电流只会流过样品本身。

测量结果显示了约瑟夫森结的3维阵列，即超导电流隧道穿过的薄的非超导势垒。约瑟夫逊结的阵列是在实际技术中利用量子现象的关键，例如用于磁场感应的超导量子干涉装置。在3D中，可以将更多的结封装成一个小体积，从而增加了器件功率。

研究人员表示：“我们展示了一种复杂的DNA组织如何用于创建高度纳米结构的3D超导材料的途径。” “这种材料转化途径使我们能够制造具有有趣特性的各种系统，不仅具有超导性，还具有其他电子、机械、光学和催化特性。我们可以将其设想为“分子光刻”，其中DNA的可编程性已转移到3D无机纳米制造中。”