DNA is ‘gewoon’ een chemische verbinding maar dan wel uitzonderlijk groot. Dat gigantische molecuul stelt wetenschappers nog steeds voor verrassingen. Van de andere kant gooien geleerden en techneuten ideeën op tafel om de mogelijkheden van DNA te gebruiken voor zaken die niet met het leven (in de zin van ‘bio’) te maken hebben zoals gegevensopslag. Nu stellen onderzoekers voor de handige eigenschap van DNA, zelfassemblage (het zichzelf in elkaar zetten), te gebruiken voor het fabrieken van, onder meer, supergeleiders. Die zouden dan weer te gebruiken zijn in kwantumcomputers, de rekentuigen die de huidige supercomputers zouden (kunnen) degraderen tot simpele telraampjes (maar of dat zo is is nog maar zeer de vraag). Ook de sensoriek en beeldtechniek van deze techniek kunnen profiteren.
De onderzoekers van het Brookhaven-lab van het Amerikaanse ministerie van energie, de Columbia- en de Bar-Ilan-universiteit in Israël zien wel wat in die aanpak om ruimtelijke nanostructuren te maken. De conventionele lithografietechnieken zouden beperkt zijn tot een- en tweedimensionale structuren. In deze DNA-aanpak wordt een DNA-streng op bepaalde plaatsen gevouwen met behulp van korte stukjes complementair DNA dat maar op een plaats ‘paart’ (de G hecht aan de C en de A aan de T). Een techniek die al vaker wordt toegepast en DNA-origami heet, naar de Japanse papiervouwkunst.

“Vanwege de programmeerbaarheid van de structuur biedt DNA een assemblageplatform om ontworpen nanostructuren te maken”, zegt Oleg Gang van het Brookhaven-lab en van de Columbia-universiteit. “De kwetsbaarheid van DNA maakt het produceren van functionele componenten en nanostructuren met anorganische stoffen onbruikbaar. In dit onderzoek laten we zien hoe DNA toch als mal kan dienen voor het bouwen van driedimensionale structuren die volledig kunnen worden ‘omgezet’ in anorganische materialen zoals supergeleiders.”

Om zo’n DNA-mal te maken ontwikkelden de onderzoekers eerst een achtvlak van DNA. Ze ontwierpen een manier om er voor te zorgen dat die ‘mallen’ zich met elkaar verbonden tot de gewenste structuren (‘roosters’). Vervolgens werden die ‘roosters’ chemisch bedekt met kiezeloxide (SiO₂, ook wel zand genoemd). Daarmee werd dat zachte DNA-rooster hard zodat de structuur werd ‘vastgelegd’. De onderzoekers pasten het proces zo aan dat ze ook daadwerkelijk de ontworpen structuren konden maken.

Gang: “In zijn oorspronkelijke vorm is DNA volledig onbruikbaar voor conventionele nanotechnologie, maar als we DNA bedekken met siliciumoxide krijgen we een stevige structuur waar we anorganische materialen in kwijt kunnen. Dat lijkt op de traditionele nanotechnologie waar je materiaal op vlakke oppervlakken aanbrengt, vaak silicium, om daar functionaliteit aan toe te voegen.”

Supergeleiding

De ‘verzande’ DNA-structuur werd vervolgens naar Israël gevlogen. en naar het supergeleidingsinstituut van de Bar-Ilan-universiteit gebracht waar Yoshi Yeshurun en zijn collega’s klaarstonden. Yeshurun zag wel wat in die DNA-structuur om driedimensionale supergeleidende structuren te maken. Yeshurun: “Vroeger was dat een lastig karwei. Nu hebben we met Olegs DNA-structuren een relatief eenvoudige manier gevonden.”

De onderzoekers dampten een lagetemperatuursupergeleider (niobium) op een siliciumchip met de verzande DNA-structuur. Dat moest met grote zorgvuldigheid gebeuren om te voorkomen dat heel die DNA-structuur doordrenkt werd met niobium. Vervolgens werd er een kanaaltje in het substraat geboord om ervoor te zorgen dat de stroom alleen door het monster heen gaat.
Het resultaat was een ruimtelijk rooster van Josephsonjuncties, twee supergeleiders gescheiden door een isolator. Die juncties zouden kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers of in magnetismemeters. De ruimtelijke structuur vergroot de mogelijkheden/capaciteit van zo’n component.
Deze techniek schijnt ook Amerikaanse defensieonderzoekers te interesseren voor de ontwikkeling van sensoren en optische systemen (het ministerie van defensie heeft meebetaald). Gang noemt zijn productiemethode ‘moleculaire lithografie’ waarbij gebruik wordt gemaakt van de ‘programmeerbaarheid’ van DNA-structuren.

Bron: EurekAlert