Ajankohtaista

Väitös: 19.12.2017 FM Kosti Tapio (Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, fysiikka)

Alkamisaika: tiistai 19. joulukuuta 2017, 12.00

Päättymisaika: tiistai 19. joulukuuta 2017, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, FYS1

FM Kosti Tapion fysiikan väitöskirjan "Nanodevices by DNA based gold nanostructures" tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Adam T. Woolley (Brigham Young University) ja kustoksena yliopistonlehtori, dosentti Jussi Toppari (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

KostiTapionettikuvaajaMattiA.Eskelinen.jpg
Kosti Tapio kuva: Matti A. Eskelinen
FM Kosti Tapion fysiikan väitöskirjan ”Nanodevices by DNA based gold structures” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjä on professori Adam T. Woolley (Brigham Young yliopisto, Yhdysvallat) ja kustoksena yliopistolehtori Jussi Toppari (Jyväskylä yliopisto). Väitös on englanninkielinen.

 

Nanoteknologia on vahvasti osa nykypäivää, sillä jokainen elektroninen laite sisältää sen avulla valmistettuja komponentteja. Uusien sovellusten valjastaminen vaatii kuitenkin yhä enemmän laskentatehoa tai tarkkuutta. Tämä on johtanut uudenlaisten valmistusmenetelmien kehitykseen, jossa pienistä, atomien ja molekyylien kokoluokan osista kasataan uusia laitteita, joilla päästään eroon perinteisten valmistusmenetelmien rajoituksista.

Yhdestä koeputkellisesta miljoonia laitteita

Tapio tutki, miten DNA:n ja kultananohiukkasten avulla pystytään luomaan uusia antureita ja sähköisiä komponentteja. Käytetyt menetelmät perustuvat DNA:n ja kultananohiukkasten itsejärjestäytyvyyteen, jolloin halutut laitteet muodostuvat itsenäisesti liuoksessa. Näin yksittäinen koeputki voi toimia tehtaana, joka valmistaa miljoonia laitteita yhtäaikaisesti.

- Yksi tämän hetken kiinnostavista sähköisistä komponenteista on yhden elektronin liikkeeseen perustuva transistori. Tällaisen transistorin toiminta huoneenlämpötilassa vaatii, että sen fyysinen koko saadaan kymmeneen nanometriin tai alle, joka mahdollistaisi myös tiheämmän komponenttien pakkaamisen, Tapio kertoo.

Tutkimuksessa pystyttiinkin osoittamaan ensi kertaa, että DNA:han ja kultananohiukkasiin perustuvilla rakenteilla voidaan luoda huoneenlämpötilassa toimivia yhden elektronin liikkeeseen perustuvia laitteita.

Näkymättömäksi pintoja päällystämällä

Tapio tutki myös, miten DNA:n avulla voidaan rakentaa safiiripintoja, jotka on päällystetty nanokokoluokan kultaisilla rusettikuvioilla. Näiden päällystettyjen safiiripintojen avulla pystyttiin tunnistamaan kaksi yleisesti käytettyä väriaineleimaa.

- Jatkossa tämä tekniikka voisi tarjota uusia käyttökohteita erimerkiksi syöpäsolujen tai mikrobien tunnistamisessa. Muoto ei kuitenkaan ole rajoitettu rusettiin, vaan päällystämällä pintoja muun muotoisilla rakenteilla voidaan valmistaa erilaisia metamateriaaleja, jotka voidaan soveltaa esimerkiksi näkymättömyysviittana ja diffraktiorajan ylittävänä superlinssinä, Tapio selvittää.

Lisätietoja:

Kosti Tapio, +358505118827 , kosti.t.o.tapio@jyu.fi

Viestintäpäällikkö Liisa Harjula, 040 8054403, viestinta@jyu.fi

Kosti Tapio on kirjoittanut ylioppilaaksi Suomussalmen lukiosta sekä valmistunut elektroniikka-asentajaksi Kainuun ammattiopistosta 2006. Hän sai filosofian maisterin tutkinnon valmiiksi syyskuussa 2012 pääaineenaan fysiikka. Tapio on työskennellyt vuosien 2010-2012 välillä osa-aikaisena tutkijan ja lokakuusta 2012 tohtorikoulutettavan Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella.

Teos on julkaistu sarjassa Department of Physics, University of Jyväskylä, Research Report numerona 9/2017, 134 s., Jyväskylä 2017, ISSN: 0075-465X, ISBN: 978-951-39-7307-0 (nid.), 978-951-39-7308-7 (PDF). Kirjaa myyvät yliopistokauppa Soppi puh. 040 805 3825 tai myynti@library.jyu.fi ja yliopiston verkkokauppa. Pysyvä linkki julkaisuun: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-7308-7

Abstract

In this thesis DNA based structures were utilized to create gold nanostructures for nanosensing and nanoelectronic applications. In the past, both of these fields have been dominated by the conventional lithography methods, e.g., electron beam lithography and UV-lithography, but more recently scaling down the components by these techniques has become increasingly more complex and costly. Especially in the micro- and nanoelectronics, the increase in the component density and thus computational power would require fabrication of sub-10-nm components, which is challenging for the top-down approaches. Aforementioned developments have led researchers to seek alternative methods to fabricate these components using so- called bottom-up approaches, that could offer less complex, faster and cost-efficient ways to fabricate the desired structures. Two of the most promising candidates for this task have been the deoxyribonucleic acid and metallic nanoparticles due to their unique optical, mechanical and chemical properties, which allow almost seamless interfacing between the two, yet still incorporate their essential optical and electrical properties, that is typically more difficult to achieve using other pairs of organic and inorganic compounds.

Three distinct fabrication methods were investigated to create three different nanodevices. The new DNA assisted lithography method was used to create metasurfaces covered with arbitrary, highly defined metallic shapes, e.g., nanoantenna bowties. The more traditional hybridization based patterning of gold nanoparticles on DNA template was used to create DNA and gold nanoparticle assemblies, which applicability as a single electron transistor was demonstrated. Finally, DNA and gold nanoparticle based assembly was utilized as an electric field controllable probe to investigate the folding and unfolding properties of a hairpin-DNA molecule.

Metallic bowtie antennas have interested researchers due to the high field enhancement between the two triangles, which could be used in e.g. surface-enhanced Raman spectroscopy. However, the current fabrication techniques have been mostly limited to infrared region due to the size and shape restrictions. By using dark field microscopy, we have showed that the new fabrication method is able to produce highly defined structures in a wafer scale and having their desired optical properties at visible regions even on high-refractive index substrates, where both of the features have not been feasible to accomplice before.

Single stranded DNA functionalized gold nanoparticles are one of the standard tools to develop nanoscale applications, from nanopatterning to diagnostic detection. Functionalization scheme using DNA and AuNPs was utilized to fabricate two vastly different assemblies: pearl-like, three gold nanoparticle linear chain on DNA template and AuNPs coated with biotinylated DNA strands, which were further immobilized to chimeric avidin coated gold surface via strong biotin-avidin interaction. For the former case, dielectrophoresis trapping was employed to position these pearl-like DNA-AuNP assemblies between a fingertip electrode structure for current-voltage characterization. It was observed that the plain, pearl-like DNA-AuNP assemblies did not conduct a current, which was most probably due to too large air gaps between the AuNPs. Thus the structures were extruded larger by chemical gold growth process. After that the current started to flow when a thresh-old voltage was reached, i.e, where after the Coulomb blockade was observed for a few samples from 4.2 K up to room temperature. For the latter case, the sandwich assembly of gold surface-avidin-DNA-AuNP was used to study the conformational changes of a hairpin-DNA by electric field induced motion of the AuNP, where the motion of gold nanoparticles either caused the DNA to stretch and unfold or relax and fold back.

Lisätietoja

Kosti Tapio
kosti.t.o.tapio@jyu.fi
+358505118827
kuuluu seuraaviin kategorioihin: