英國研究人員發現,藉由逐層堆疊石墨烯(graphene)之類的二維(2D)材料,有可能打造出具完美電子結構的三維(3D)新穎材料。此意想不到的研究結果有助於製作精密複雜的 3D 晶片結構,用來發展更快的資訊處理以及更大容量的資料儲存設備。
由諾貝爾獎得主 Andre Geim 與 Kostya Novoselov 領導的曼徹斯特大學團隊先將以膠帶法剝下的 2D 石墨烯層堆疊起來以,接著在石墨烯層間插入原子級薄的六方氮化硼(hexagonalboron nitride, hBN)晶體,並接上金屬電極以供後續電性量測。研究人員測量電子傳輸性質來檢驗其結構,並將效能表現最佳的區域以聚焦離子束(focused ion beam)切割分離出來,最後以高解析掃瞄穿透式電子顯微(TEM)鏡觀察每一層石墨烯在元件中的位置。
團隊成員 Sarah Haigh 表示,TEM 影像顯示團隊已組裝出具有界線鮮明的原子級介面的新穎 3D 異質結構。更重要的是,他們發現雜質等污染物會分離形成孤立區塊。雜質粒子總是出現於 2D 晶體的上方,並且會在組裝 3D 結構時侷限於夾層之間。Haigh 解釋,這些吸附物不只會降低元件的電子性質,同時也意味著此人造層狀晶體無法僅藉由凡得瓦力形成,而是由各層間的吸附物扮演黏著劑的角色。污染雜質聚集成孤立區塊反而使內部介面乾淨無暇並且有原子級的平坦度,因此具有優良的電子性質。
Haigh 表示,透過此方式以 2D 材料製作 3D 結構,意味著他們能創造出具特定設計性質的電子元件。傳統的電子晶片主要受限於 2D 幾何結構,而此新穎結構將可望用來製作精密複雜的 3D 晶片架構。應用範圍包含更快速的資料處理以及更大的儲存容量。該團隊目前計畫探討更為複雜的層狀結構,以期能瞭解不同組成如何影響石墨烯元件的電子、熱學以及機械性質。詳見 Nature Materials |DOI:10.1038/nmat3386。
關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。
單看字面,DNA-PAINT 給人「以 DNA 作為油漆」的印象。事實稍有不同,這種技術以 DNA 作為「點累積奈米成像術」(PAINT , Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography)的探針。接上螢光染劑的短小 DNA 片段,可以靈敏標記蛋白質、染色體以及許多細胞內構造。
DNA-PAINT 使用的 DNA 探針片段長度不超過 10 個鹼基,又稱寡核苷酸(oligonucleotides 或oligomers)。這些短小 DNA 片段可以附加上螢光染劑的螢光團分子,成為螢光探針。
DNA 探針的結合對象是另一段互補的 DNA 片段,此互補序列會預先透過抗體與定位目標連結,等待 DNA 探針前來結合。DNA 探針因為具有螢光團,被稱為「成像片段(imager strand)」,而牢固於目標的互補序列則稱為「嵌合片段(docking strand)」。對生物細胞進行 DNA-PAINT 時,嵌合片段與目標分子之間常有抗體或配體做為銜接,需要類似免疫螢光染色的前置作業,目標表面的抗原也可以因應實驗需求進行設計。
因為兩個短小 DNA 片段之間的結合力有限,成像片段與嵌合片段結合後會快速分離。而螢光團只有在結合目標時才容易放光,因此可以形成閃爍的螢光定位標記。經由電腦疊合閃爍的定位影像,DNA-PAINT 可以達成 10 奈米左右的超解析定位,若沒有序列成像的幫助,依然無法突破奈米以下解析度的光學障礙。
因此 uPAINT 必須限縮激發光照射的範圍,對準目標、減少雜訊,例如微調全內反射顯微鏡(TIRF)的角度,形成「高傾斜層光照明」(Highly Inclined and Laminated Optical sheet, HILO)以限定激發範圍。
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同在 2010 年,隆曼與史坦豪爾(C. Steinhauer)嘗試以寡核苷酸為探針,定位 DNA 摺紙構造(DNA origami structure)上的目標,達到了奈米等級的解析度。DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography 正式誕生,善用「不牢固的螢光探針」與電腦運算的輔助,以一般螢光顯微鏡就能突破繞射極限。
無限調色的虛擬油漆:Exchange-PAINT
2014 年,隆曼與同事阿凡達尼歐(M. S. Avendaño)、沃爾斯坦(J. B. Woehrstein)發表 DNA-PAINT 的巧妙變化,除了同時以不同探針標記不同構造,達成精準的多重定位(multiplexed localization),更實現以一種螢光超解析定位多種目標,讓多重標記的潛力加速實現。
這種多重標記被隆曼與同事稱為 Exchange-PAINT,同樣使用 DNA 片段作為探針。在同一個樣本的 10 種不同目標上,連結了 10 種不同的嵌合片段(docking strands),隆曼等人再以 10 種互不干涉的短小 DNA 序列(orthogonal sequences)作為成像片段(imager strands)。