Ajankohtaista

Optisia miniatyyriantenneja DNA:n avulla

Uusi valmistustekniikka yhdistää ohjelmoitavien DNA-origamien tarkkuuden litografisiin standardimenetelmiin, luoden näin ennennäkemättömän pieniä metallisia nanoantenneja ja kiraalisia rakenteita lukuisia sovelluksia varten.

Dali
DNA-avusteinen litografia (DALI): rusettimaisen DNA-origamin<br /> muodosta voidaan luoda metallinen nanorakenne (Kuva: M. Kostiainen)
Jyväskylän yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkimusryhmät yhdessä California Institute of Technologyn (Caltech, Yhdysvallat) ja Aarhusin yliopiston (iNANO Center, Tanska) tutkijoiden kanssa ovat kehittäneet uuden massatuotantoon soveltuvan valmistustekniikan pienille ja muodoiltaan erittäin tarkoille metallisille nanorakenteille. Näillä nanopartikkeleilla on tarkoin räätälöidyt plasmoniset ominaisuudet, ja ne muodostetaan itsejärjestyvien DNA-origamirakenteiden avulla. DALI-menetelmäksi (DALI = DNA-avusteinen litografia) kutsuttu tekniikka on julkaistu Science Advances –lehden viimeisimmässä numerossa.

“Voimme valmistaa periaatteessa minkä tahansa muodon nanoskaalassa DNA-origamitekniikkaa käyttäen, ja nyt olemme onnistuneet osoittamaan kuinka näitä tarkkoja muotoja voidaan edelleen käyttää ikään kuin sapluunoina miljoonien metallisten nanorakenteiden valmistamiseen yhdellä kertaa. Samalla voidaan saavuttaa jopa alle 10 nanometrin resoluutio”, valottaa dosentti Veikko Linko Aalto-yliopistosta. DALI-menetelmän salaisuus on selektiivinen oksidikerroksen kasvatus piillä päällystetylle alustalle, jolle DNA-rakenteet on asemoitu; piidioksidi kasvaa vain piin mutta ei juurikaan DNA-origamien päälle. “Kontrolloimalla kasvatusprosessia voimme valmistaa origaminmuotoisia aukkoja piidioksidiin ja tätä kerrosta voimme sitten käyttää maskina myöhemmissä litografisissa valmistusvaiheissa. Lopulta höyrystämme metallia näiden aukkojen läpi ja voimme siten luoda metallirakenteita läpinäkyvälle pinnalle kuten esimerkiksi safiirille. Metallirakenteilla on näin ollen myös sama muoto ja koko kuin pinnalle asemoiduilla DNA-origameilla”, kuvailee valmistusprosessia Boxuan Shen Jyväskylän yliopiston Nanoscience Centeristä.

Näin valmistetut pienet metalliset rakenteet voivat peittää hyvinkin laajan läpinäkyvän substraatin, ja niinpä kyseisille pinnoille saadaankin aikaan mielenkiintoisia optisia ominaisuuksia. Rakenteiden mitat, jotka ovat noin kymmenen nanometrin skaalassa, mahdollistavat optisten ominaisuuksien muokkaamisen näkyvän valon aallonpituusalueella. “Meidän käsittääksemme olemme luoneet maailman pienimmän rusetinmuotoisen täysin metallisen nanoantennin. Tämä erittäin pieni koko mahdollistaa monien tärkeiden ominaisuuksien hyödyntämisen näkyvän valon aallonpituuksilla, kun ennen se on ollut mahdollista vain infrapuna-alueella”, kertoo dosentti Jussi Toppari Jyväskylän yliopistosta, Molekyylielektroniikan ja -plasmoniikan tutkimusryhmästä. Näitä antenneja voidaan hyödyntää monissa plasmoniikan sovelluksissa ja optiikassa, kuten esimerkiksi pintavahvistetussa Raman-spektroskopiassa, biomolekyylien havainnoinnissa ja molekyylien fluoresenssin vahvistamisessa. Tutkijat osoittivat myös, että pinnoista voi tehdä eräänlaisia polarisaattoreita valmistamalla kiraalisia nanorakenteita DALI-menetelmää käyttäen.

 “DALI voi hyvinkin mahdollistaa edullisen optisten pintojen massatuotannon, koska siinä ei tarvita kalliita ja hitaita valmistustekniikoita. Menetelmää voisi suoraan hyödyntää erilaisten metamateriaalipintojen valmistuksessa, kunhan DNA-origamit saadaan ensin järjestettyä haluttuun muotoon pinnan päällä”, visioi professori Mauri Kostiainen Aalto-yliopistosta, Biohybridimateriaalien tutkimusryhmästä.

Linkit:

Artikkeli: “Plasmonic nanostructures through DNA-assisted lithographyScience Advances, vol. 4, iss. 2, eaap 8978 (2. helmikuuta 2018) http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aap8978

Linkki videoon: https://youtu.be/QO5Jcqj-SYI (Video: M. Kostiainen ja V. Linko)

Lisätietoja:

Dosentti Veikko Linko
Biohybrid Materials Group, Aalto University School of Chemical Engineering
puh. +358 45 673 9997
veikko.linko@aalto.fi

Boxuan Shen
Molecular Electronics and Plasmonics Group, Department of Physics, Nanoscience Center, University of Jyväskylä & Biohybrid Materials Group, Aalto University School of Chemical Engineering
puh. +358 44 299 6182
boxuan.shen@jyu.fi

Professori Mauri Kostiainen
Biohybrid Materials Group, Aalto University School of Chemical Engineering &
HYBER Centre of Excellence, Department of Applied Physics, Aalto University School of Science
puh. +358 50 362 7070
mauri.kostiainen@aalto.fi

Dosentti / Yliopistonlehtori Jussi Toppari
Molecular Electronics and Plasmonics Group, Department of Physics, Nanoscience Center, University of Jyväskylä
puh. +358 40 8054123
j.jussi.toppari@jyu.fi

Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia, Jane ja Aatos Erkon säätiö, Suomen kulttuurirahasto, Suomalainen tiedeakatemia (Väisälä), Emil Aaltosen säätiö ja the US Office of Naval Research Award.

kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,