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Los dispositivos electrónicos y fotónicos tienen funcionalidades únicas para convertir procesos químicos y biológicos en señales eléctricas u ópticas para detectar, identificar y monitorear estos procesos. La integración de conceptos de nanotecnología ha llevado a varios diseños optoelectrónicos innovadores que permiten dispositivos de próxima generación.
Aprender: Uso de la nanotecnología y la química del ADN para aplicaciones en fotónica y electrónica. Crédito: Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com
El ácido desoxirribonucleico (ADN) es la molécula que almacena y transmite la información genética en los sistemas biológicos. Estas moléculas son sustratos versátiles para la modificación y funcionalización química, lo que facilita la unión de nanocargas en sitios predeterminados. Las nanoestructuras de ADN se han utilizado como plantillas para la fabricación de estructuras inorgánicas.
Aunque las moléculas de ADN son bloques de construcción prometedores para nanoestructuras, todavía no se han comercializado dispositivos ópticos o electrónicos basados en ADN. Un artículo publicado recientemente en química bioconjugada discutió las aplicaciones potenciales de la nanotecnología de ADN en electrónica y fotónica a través de cuatro estudios de casos: dispositivos de computación cuántica, transistores de nanotubos de carbono, celdas de combustible enzimáticas y materiales electromagnéticos artificiales.
Nanotecnología de ADN y su aplicación en nanofabricación
La nanotecnología del ADN ha ampliado las aplicaciones de las moléculas de ADN al utilizarlas para ensamblar y conectar motivos estructurales. Estas moléculas han hecho importantes contribuciones a los campos de la nanociencia y la nanotecnología, revolucionando el autoensamblaje molecular. La nanotecnología de ADN ofrece una capacidad de programación superior para realizar un autoensamblaje preciso en estructuras tridimensionales (3D) y se ha desarrollado lo suficiente como para comercializarse.
Además de sus aplicaciones en ingeniería y física, la nanotecnología del ADN se ha utilizado en biomedicina. Las moléculas de ADN unidas a nanocargos o nanosuperficies a menudo se han descrito como plataformas a nanoescala altamente funcionalizadas.
En fotónica y electrónica, las plataformas nanométricas se fabrican utilizando métodos de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba. Los enfoques de arriba hacia abajo (como la litografía por haz de electrones y la fotolitografía) pueden producir geometrías de menos de 100 nanómetros con características de 20 nanómetros. Sin embargo, la incapacidad de ofrecer tales propiedades a escala centimétrica con la misma velocidad y asequibilidad limita severamente su aplicabilidad.
Alternativamente, la aplicación de nanotecnología de ADN para la nanofabricación permite la construcción de plataformas 3D a través de una combinación de reacciones químicas y formas a nanoescala con posibilidades de modulación. El presente estudio arroja luz sobre la nanotecnología del ADN con procesos a través de cuatro estudios de casos que han realizado inmensas contribuciones a las aplicaciones fotónicas y electrónicas.
computación cuántica
Un qubit es el sistema cuántico más simple que permite el procesamiento de información en computadoras cuánticas de maneras radicalmente diferentes. Por lo tanto, las computadoras cuánticas basadas en qubits son más rápidas que las computadoras clásicas y necesitan un componente de soporte para estabilizar y manipular qubits. Aunque se ha asumido que las computadoras cuánticas basadas en qubit con hardware de silicio son más ventajosas que las computadoras clásicas, su realización es un desafío.
Pocos sistemas de procesamiento de información cuántica utilizan uniones de Josephson para crear cúbits. En este sentido, las nanoestructuras de ADN se pueden utilizar para ensamblar matrices 3D de uniones de Josephson, lo que es inalcanzable con los métodos convencionales, lo que indica el alcance de la nanotecnología de ADN en la fabricación de hardware de computación cuántica.
Transistores de nanotubos de carbono (CNT).
La nanotecnología de ADN estructural utiliza moléculas de ADN como polímeros codificadores de información programables para crear estructuras de orden superior en la escala nanométrica. Por ejemplo, en mosaicos de origami de ADN, un genoma viral largo de una sola cadena (cadena principal) se pliega en formas arbitrarias utilizando cientos de oligonucleótidos sintéticos cortos (cadenas básicas).
Estudios anteriores han demostrado que la metalización de plantillas utiliza mosaicos de origami de ADN como sustrato para hacer conexiones en los circuitos. Además, el origami de ADN se puede utilizar como plantilla para uniones metal-semiconductor conductoras, lo que da como resultado nanoestructuras metálicas complejas.
Además, los mosaicos de origami de ADN también se han utilizado para organizar materiales orgánicos y polímeros en patrones curvos, lo que es beneficioso para tecnologías como dispositivos portátiles de control de la salud o teléfonos inteligentes flexibles que requieren circuitos electrónicos flexibles.
Celdas de combustible enzimáticas o biobaterías
La nanotecnología de ADN tiene un gran potencial para el desarrollo de pilas de combustible enzimáticas, utilizando hidrogeles basados en ADN como medio.
Las estructuras de origami de ADN y los hidrogeles permiten un montaje fácil en condiciones respetuosas con el medio ambiente en comparación con los dispositivos tradicionales que utilizan materiales peligrosos. Como perspectiva para el futuro, los investigadores esperan desarrollar una biobatería de hidrogel de ADN con densidad de potencia, energía y longevidad mejoradas refinando la vía de transferencia de electrones e investigando enzimas/sustratos adecuados.
material electromagnético artificial
La nanotecnología del ADN tiene múltiples aplicaciones en el campo de la fotónica. Las nanocavidades se utilizan en estudios ópticos cuánticos para confinar la luz utilizando modos de resonancia de sublongitud de onda. Requieren que los emisores se coloquen en ubicaciones precisas. Gopinath et al. mostró que las moléculas de tinte dirigidas a diferentes sitios de una estructura de ADN dentro de una cavidad de cristal fotónico (PCC) permitieron una emisión sintonizable basada en la intensidad del campo eléctrico de la PCC.
Otro estudio de Kuzyk et al. utilizó nanovarillas de ADN como sustrato para unir una cadena helicoidal basada en nanoesferas de oro para inducir una respuesta quiróptica. Las hélices izquierda y derecha produjeron espectros con dicroísmo circular de dos signos.
Conclusión
En general, un enfoque orientado a los problemas, en el que el diseño del dispositivo esté guiado por un conocimiento profundo de los requisitos del mercado objetivo y las especificaciones del dispositivo, facilitaría la traducción de la investigación en nanotecnología de ADN hacia la comercialización. Este enfoque podría ayudar a desarrollar nuevos diseños innovadores basados en nanotecnología de ADN que podrían encontrar aplicaciones en fotónica y electrónica. Junto con métodos eficientes de escalado a menor costo puede ser un beneficio adicional.
Relación
Dunn, KE, Elfick, A (2022). Uso de la nanotecnología y la química del ADN para aplicaciones en fotónica y electrónica. Química de bioconjugados. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.bioconjchem.2c00286
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