(57)【要約】本明細書には、本発明に従って、ナノデバイス（又はナノ構成要素）、複合ナノデバイス、並びにこれらのナノデバイス及び複合ナノデバイスを製造する方法及び使用する方法が記載されている。【選択図】  図１３
2021524666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）第１の電極を形成する内側球形コアと、
（２）前記内側コアと外側層との間に配置されたセパレータ層と、
（３）第２の電極を形成する外側層と
を備えるナノバッテリ。
【請求項２】
前記第１の電極がアノードである場合には前記第２の電極がカソードであり、又は前記第１の電極がカソードである場合には前記第２の電極がアノードである、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項３】
外部絶縁層をさらに備える、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項４】
前記第１の電極が、三酸化ビスマス、酸化コバルト粒子、二硫化鉄、リチウムアルミニウム合金、炭酸リチウム、酸化リチウムコバルト、リン酸リチウムコバルト、水酸化リチウム、水酸化リチウム、リン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）、酸化リチウム鉄（ＩＩＩ）、二酸化リチウムマンガン、酸化リチウムマンガンニッケル（ＬＭＮＯ）、酸化リチウムマンガン（ＬＭＯ）、モリブデン酸リチウム、酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウム、酸化リチウムニッケルコバルト、二酸化リチウムニッケル、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウムケイ素合金、リチウムスズ合金、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムスピネル、酸化マンガン（ＩＶ）、水酸化ニッケル、クロム酸銀、酸化銀、五酸化バナジウムからなる群から選択される材料を含むカソード−コアである、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項５】
前記セパレータ層が、イオン拡散が可能な多孔性である材料を含む、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項６】
前記外側層が、炭素、銅炭素、塩化銅、硫化銅、酸化銅（ＩＩ）、グラフェン、酸化グラフェン単分子層、黒鉛、セレン化マンガン、カリウム黒鉛、熱分解黒鉛、ケイ素、酸化スズ、リチウム金属及び亜鉛からなる群から選択された材料を含むアノードである、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項７】
前記ナノバッテリの直径が、約１ｎｍ〜約９００ナノメートル、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約３ｎｍ〜約３００ｎｍ、約４ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５〜約１５０ｎｍ、約１０〜約１５０、約１５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１５ｎｍ〜約１００ｎｍ、２０ｎｍ〜約７５ｎｍ、約２５ｎｍ〜約５０ｎｍからなる群から選択された、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項８】
前記コアの直径、又は前記セパレータ層及び外側層のそれぞれの層の厚さがそれぞれ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９及び５０ｎｍからなる群から選択された、請求項１に記載のナノバッテリ。
【請求項９】
複数の請求項１に記載のナノバッテリであり、それぞれのナノバッテリが少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノバッテリと、
複数のナノワイヤであり、金属コンタクトに接続された前記ナノワイヤによって前記複数のナノバッテリが並列に集積された、複数のナノワイヤと
を含む複合バッテリデバイス。
【請求項１０】
前記第１の電極がアノードである場合には前記第２の電極がカソードであり、又は前記第１の電極がカソードである場合には前記第２の電極がアノードである、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１１】
外部絶縁層をさらに備える、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１２】
前記第１の電極が、三酸化ビスマス、酸化コバルト粒子、二硫化鉄、リチウムアルミニウム合金、炭酸リチウム、酸化リチウムコバルト、リン酸リチウムコバルト、水酸化リチウム、水酸化リチウム、リン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）、酸化リチウム鉄（ＩＩＩ）、二酸化リチウムマンガン、酸化リチウムマンガンニッケル（ＬＭＮＯ）、酸化リチウムマンガン（ＬＭＯ）、モリブデン酸リチウム、酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウム、酸化リチウムニッケルコバルト、二酸化リチウムニッケル、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウムケイ素合金、リチウムスズ合金、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムスピネル、酸化マンガン（ＩＶ）、水酸化ニッケル、クロム酸銀、酸化銀、五酸化バナジウムからなる群から選択された材料を含むカソード−コアである、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１３】
前記セパレータ層が、イオン拡散が可能な多孔性である材料を含む、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１４】
前記外側層が、炭素、銅炭素、塩化銅、硫化銅、酸化銅（ＩＩ）、グラフェン、酸化グラフェン単分子層、黒鉛、セレン化マンガン、カリウム黒鉛、熱分解黒鉛、ケイ素、酸化スズ、リチウム金属及び亜鉛からなる群から選択された材料を含むアノードである、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１５】
前記ナノバッテリの直径が、約１ｎｍ〜約９００ナノメートル、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約３ｎｍ〜約３００ｎｍ、約４ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５〜約１５０ｎｍ、約１０〜約１５０、約１５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１５ｎｍ〜約１００ｎｍ、２０ｎｍ〜約７５ｎｍ、約２５ｎｍ〜約５０ｎｍからなる群から選択された、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１６】
前記コアの直径、又は前記セパレータ層及び外側層のそれぞれの層の厚さがそれぞれ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９及び５０ｎｍからなる群から選択された、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１７】
前記ナノワイヤが、金属−核酸ナノワイヤを含む、請求項９に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１８】
前記ナノワイヤが、銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤを含む、請求項１７に記載の複合バッテリデバイス。
【請求項１９】
第１の極を形成する内側球形コアと、
前記内側コアと外側層との間に配置された任意選択的なセパレータ層と、
第２の極を形成する外側層と
を備えるナノデバイス。
【請求項２０】
外部コーティング層をさらに備える、請求項１９に記載のナノデバイス。
【請求項２１】
前記ナノデバイスがナノキャパシタであり、
前記第１の極が第１の電極であり、
前記セパレータ層が誘電体材料を含み、
前記第２の極が、前記第１の電極とは反対の第２の電極である、
請求項１９に記載のナノデバイス。
【請求項２２】
前記ナノデバイスがナノ太陽電池であり、
前記第１の極が、ｐ型又はｎ型半導体であり、
前記セパレータ層が、感光性の真性半導体を含み、
前記第２の極が、前記第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体である、
請求項１９に記載のナノデバイス。
【請求項２３】
前記ナノデバイスがナノＬＥＤであり、
前記第１の極が、ｐ型又はｎ型半導体であり、
前記第２の極が、前記第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体である、
請求項１９に記載のナノデバイス。
【請求項２４】
前記ナノデバイスがナノバッテリであり、
前記第１の極が第１の電極であり、
前記セパレータ層が、イオン拡散が可能な多孔性である材料を含み、
前記第２の極が、前記第１の電極とは反対の第２の電極である、
請求項１９に記載のナノデバイス。
【請求項２５】
第１の電極を形成する内側球形コアと、
誘電体材料を含むセパレータ層であり、前記内側コアと外側層との間に配置された、セパレータ層と、
前記第１の電極とは反対の第２の電極を形成する外側層と
を備えるナノキャパシタ。
【請求項２６】
前記第１の電極が、金、銀、鉄及び白金からなる群から選択された金属である、請求項２５に記載のナノキャパシタ。
【請求項２７】
前記誘電体材料が、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、及びこれらの酸化物の任意の混合物からなる群から選択された酸化物である、請求項２５に記載のナノキャパシタ。
【請求項２８】
前記第２の電極が、金、銀、鉄及び白金からなる群から選択された金属である、請求項２５に記載のナノキャパシタ。
【請求項２９】
複数の請求項２５に記載のナノキャパシタであり、それぞれのナノキャパシタが少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノキャパシタと、
複数のナノワイヤであり、金属コンタクトに接続された前記ナノワイヤによって前記複数のナノキャパシタが並列に集積された、複数のナノワイヤと
を含む複合ナノキャパシタデバイス。
【請求項３０】
前記第１の電極が、金、銀、鉄及び白金からなる群から選択された金属である、請求項２９に記載の複合ナノキャパシタデバイス。
【請求項３１】
前記誘電体材料が、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びこれらの酸化物の任意の混合物からなる群から選択された酸化物である、請求項２９に記載の複合ナノキャパシタデバイス。
【請求項３２】
前記第２の電極が、金、銀、鉄及び白金からなる群から選択された金属である、請求項２９に記載の複合ナノキャパシタデバイス。
【請求項３３】
ｐ型又はｎ型半導体である第１の半導体を形成する内側球形コアと、
感光性の真性半導体を含むセパレータ層であり、前記内側コアと外側層との間に配置された、セパレータ層と、
前記第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体を形成する外側層と
を備えるナノ太陽電池。
【請求項３４】
複数の請求項３３に記載のナノ太陽電池であり、それぞれのナノ太陽電池が少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノ太陽電池と、
複数のナノワイヤであり、金属コンタクトに接続された前記ナノワイヤによって前記複数のナノ太陽電池が並列に集積された、複数のナノワイヤと
を含む、複合ナノ太陽電池デバイス。
【請求項３５】
前記複数のナノデバイスのうちのそれぞれの１つのナノデバイスが、少なくとも２本のナノワイヤに動作可能に取り付けられており、前記少なくとも２本のナノワイヤのうちのそれぞれのナノワイヤが、反対の金属板に動作可能に接続されており、以って閉じたエネルギー回路を形成している、請求項９、２９及び３４のいずれか一項に記載の複合ナノデバイス。
【請求項３６】
前記第１の極又は第２の極に取り付けられた少なくとも１本のナノワイヤをさらに備える、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載のナノデバイス。
【請求項３７】
前記第１の極に取り付けられた少なくとも１本のナノワイヤと、前記第２の極に取り付けられた少なくとも１本のナノワイヤとをさらに備える、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載のナノデバイス。
【請求項３８】
請求項１９に記載のナノデバイスの第１のセット及び第２のセットを含む複合ナノデバイスであって、前記第１のセットと第２のセットのうちのそれぞれのセットが、前記第１の極を形成する前記コアに取り付けられた１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドと、前記第２の極を形成する前記外側層に取り付けられた１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドとを有する、複合ナノデバイス。
【請求項３９】
前記第１のセットで、前記コアに取り付けられた前記１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドがオリゴヌクレオチド配列Ａを有し、前記第１のセットの前記外側層に取り付けられた前記１本又は複数本のオリゴヌクレオチドが、配列Ａとは異なるオリゴヌクレオチド配列Ｂを有する、請求項３８に記載の複合ナノデバイス。
【請求項４０】
前記第２のセットで、前記コアに取り付けられた前記１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドが、Ａと相補的なオリゴヌクレオチド配列Ａ’を有し、前記第２のセットの前記外側層に取り付けられた前記１本又は複数本のオリゴヌクレオチドが、Ｂと相補的なオリゴヌクレオチド配列Ｂ’を有する、請求項３８又は３９に記載の複合ナノデバイス。
【請求項４１】
ナノデバイスの前記第１のセット及び第２のセットがチャンバ内に配置されており、前記チャンバの両側の電極に一本鎖オリゴヌクレオチドが取り付けられており、一方の電極にオリゴヌクレオチドＡとＡ’の混合物が取り付けられており、もう一方の電極にオリゴヌクレオチドＢとＢ’の混合物が取り付けられている、請求項３８〜４０のいずれか一項に記載の複合ナノデバイス。
【請求項４２】
ナノデバイスの前記第１のセット及び第２のセットが自己集合して格子状構造体を形成しており、前記格子状構造体では、前記ナノデバイスのうちの実質的に全てのナノデバイスの前記コアが、ＡとＡ’とのハイブリッド化によって生成された二本鎖ＤＮＡのネットワークによって互いに接続されており、前記ナノデバイスのうちの実質的に全てのナノデバイスの前記外側層が、ＢとＢ’とのハイブリッド化によって生成された二本鎖ＤＮＡのネットワークによって互いに接続されている、請求項４０又は４１に記載の複合ナノデバイス。
【請求項４３】
前記コアネットワークがさらに、オリゴヌクレオチドＡとＡ’の前記混合物が取り付けられた前記電極に接続されており、前記外側層ネットワークが、オリゴヌクレオチドＢとＢ’の前記混合物が取り付けられた前記電極に接続されている、請求項４２に記載の複合ナノデバイス。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
[0001]本発明は、ナノ構成要素エネルギーデバイス及び関連方法に関する。
【０００２】
［序論］
[0002]バッテリ及びキャパシタなどのエレクトロニクス構成要素を構築する全体的な手法は、１８及び１９世紀頃のその最初の発明以来、変わっていない。特に、キャパシタ及びバッテリの場合、改良の大部分は、電極又はアノード及びカソードに対する異なる材料の使用に重点が置かれていた。特に、キャパシタの全体的な構造は、誘電体材料によって分離された２つの電極を含む。バッテリについては、電解液材料が充填されたギャップによって、カソードとアノードが分離されている。イオンの制御された拡散を可能にする追加の塩橋、及びしばしば、短絡を防ぐためのセパレータが存在する。バッテリの改良は通常、アノード及びカソードのエネルギー密度を向上させることを含んでいた。他の進展は、電解液材料の改良、ケミストリの改良を含み、主に、電荷を持つイオンのタイプに重点が置かれている。キャパシタについては、電極の電荷容量が改良され、電極間に生み出される電場を改善するために電極間の距離が小さくされた。電極と溶液中の二重層との間の電場の発生を可能にするスーパーキャパシタが開発された。二重層は本質的に、有効距離を劇的に低減させる。
【０００３】
[0003]しかしながら、これらの手法は、より高い容量の必要性に対処するのには十分ではない。リチウムは、全ての金属の中で最も高い電気化学ポテンシャルを有し、潜在的な全てのバッテリ材料の中で最も高いエネルギー密度を有する。しかしながら、リチウムの電気化学めっきは、樹枝状結晶（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）を生じさせることが知られており、樹枝状結晶は、効率を低下させ、バッテリを短絡することがあり、電池の安全動作を妨げ、激しい爆発さえも引き起こしうる。
【０００４】
[0004]この問題に対する試みられている現在の解決策は、充電速度を遅くすること、電解液に添加剤を含めること、及び電池の温度がある温度を超えたときに電池をオフにする機構を追加することを含む。これらは全て、バッテリのサイズ、重量及び複雑さを増大させ、バッテリの実用性を低下させる。
【０００５】
[0005]バッテリの場合、現在の手法は、非常に大きな表面積を有するアノード及びカソードを、その多孔性のため、したがってその大きなエネルギー含量のために使用する。しかしながら、依然として、イオンは、限られた拡散を有する電解液媒質を通過する必要があり、アノードとカソードの間の潜在的な短絡を防ぐことを狙いとするセパレータを有する。イオンの蓄積が速すぎる場合、及びイオンが、沈降し、対電極上の割り当てられたスポットを見つける時間がない場合には、例えばリチウムが使用されている場合の樹枝状結晶の形成など、ある種の不必要な影響が観察される。これらの樹枝状結晶は、表面から突き出た構造体であり、アノードとカソードを短絡させることがあり、例えば爆発につながる発熱性の連鎖反応など、危険の原因となる。アノード及びカソードの表面積は、時間とともに改良されたが、電解液は改良されておらず、したがってバッテリの全体性能を制限する。
【０００６】
[0006]キャパシタの場合、（通常、改良のための主領域である）非常に多孔性の電極構造を有することは、あまり役に立たない。最も重要なのは２つの電極間の距離であるためである。しかしながら、本質的により厚い電極を有することは、電極の２つの端部の間のより長い距離を生み出し、以って、電場内に蓄積される電荷の量を低減させる電場振幅を低減させる結果に終わるであろう。
【０００７】
[0007]要約すると、エネルギー蓄積のためには電極の非常に大きな表面積が重要であり、充電及び放電速度が速くなければならず、安全性が大きな懸念であり（すなわちＳａｍｓｕｎｇ  Ｇａｌａｘｙ  Ｎｏｔｅ  ７の事件）、現在のバッテリは非常に大きなエネルギー密度を有するが、充電／放電が遅く、Ｌｉイオンバッテリは火災の危険をもたらし、リチウムイオンバッテリは、大表面積のカソードを有するが、火災の危険があるため電解質イオン流体流を制限する必要があり、キャパシタは、はるかに速い充電及び放電を有するが、エネルギー密度が低く、ウルトラキャパシタは、キャパシタと比較して非常に大きなエネルギー密度を有するが、二重層のために電圧が低いことで限界があり、したがってバッテリのエネルギー容量に到達することができず、蓄電用途にとって高電圧は常に望ましいが、ウルトラキャパシタとリチウムイオンバッテリはともに電圧限界を有する。
【０００８】
[0008]したがって、新たなデバイス、並びにエネルギーデバイスを使用する方法及び製造する方法が求められている。
【０００９】
［概要］
[0009]本明細書には、本発明に従って、ナノデバイス（又はナノ構成要素）、複合ナノデバイス、並びにこれらのナノデバイス及び複合ナノデバイスを製造する方法及び使用する方法が記載されている。本明細書にはさらに、巨視的な個々の構成要素からなる代わりに、多数の接続されたナノ／マイクロスケールのユニット（例えば構成要素）からなり、それぞれのユニットが、本質的に、必要な構成要素のうちの全部又は一部を有する単一のデバイスのように機能する、複合ナノ構成要素デバイスを製造する方法が記載されている。それに応じて、多数の接続されたナノ／マイクロスケールのユニット又は構成要素の累積効果は、個々の巨視的ユニットを有する従来の巨視的デバイスを有することに匹敵し、又は個々の巨視的ユニットを有する従来の巨視的デバイスを有すよりもはるかに効果的であることに有利に帰着する。特定の実施形態では、（例えば本明細書ではナノ構成要素と呼ぶ）それぞれのナノ／マイクロスケールユニットが、完全に又はほぼ完全に機能する。本明細書にはさらに、このようなデバイスを製造する方法が記載されている。特定の実施形態では、ナノ構成要素を、並列に（ＰＩＮＣ）又は直列に接続することができる。特定の実施形態では、構成要素を自己集合させて、このような構成にすることができる。ある種の実施形態では、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）などのアドレス可能なポリマー、特定の実施形態では導電性を向上させるために金属被覆されたデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）などのアドレス可能なポリマー（図１９及び実施例１１参照）を使用して、それぞれの構成要素の接続を実施することができる。
【００１０】
[0010]本発明によれば、本明細書にはナノデバイスが記載されており、このナノデバイスは、第１の極を形成する内側球形コアと、内側コアと外側層との間に配置された任意選択的なセパレータ層と、第２の極を形成する外側層とを備える（例えば図１３参照）。このナノデバイスは、外部コーティング層をさらに備えることができる（例えば図１３参照）。
【００１１】
[0011]特定の実施形態では、ナノデバイスがナノバッテリであり、第１の極が第１の電極であり、セパレータ層が、イオン拡散を可能にするために多孔性である材料を含み、第２の極が、第１の電極とは反対の第２の電極である（例えば図１３参照）。
【００１２】
[0012]一実施形態では、ナノデバイスがナノキャパシタであり、第１の極が第１の電極であり、セパレータ層が誘電体材料を含み、第２の極が、第１の電極とは反対の第２の電極である（例えば図１３参照）。
【００１３】
[0013]別の実施形態では、ナノデバイスがナノ太陽電池であり、第１の極が、ｐ型又はｎ型半導体であり、セパレータ層が、感光性の真性半導体を含み、第２の極が、第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体である（例えば図１３参照）。
【００１４】
[0014]別の実施形態では、ナノデバイスがナノＬＥＤであり、第１の極が、ｐ型又はｎ型半導体であり、第２の極が、第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体である（例えば図１３参照）。
【００１５】
[0015]本明細書にはさらに、第１の電極を形成する内側球形コアと、内側コアと外側層との間に配置されたセパレータ層と、第２の電極を形成する外側層とを備えるナノバッテリが記載されている（例えば図１３参照）。特定の実施形態では、セパレータ層が、イオン拡散を可能にするために多孔性である。本発明のナノバッテリの特定の実施形態では、第１の電極がアノードである場合には第２の電極がカソードであり、又は第１の電極がカソードである場合には第２の電極がアノードである。
【００１６】
[0016]本明細書にはさらに、上に記載されたナノデバイスの第１のセット及び第２のセットを含む複合ナノデバイスであって、第１のセットと第２のセットのうちのそれぞれのセットが、第１の極を形成するコアに取り付けられた１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドと、第２の極を形成する外側層に取り付けられた１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドとを有する（図１７）、複合ナノデバイスが記載されている。一実施形態では、第１のセットにおいて、コアに取り付けられた（１本又は複数本の）一本鎖オリゴヌクレオチドがオリゴヌクレオチド配列Ａを有し、第１のセットの外側層に取り付けられた（１本又は複数本の）オリゴヌクレオチドが、配列Ａとは異なるオリゴヌクレオチド配列Ｂを有する（図１７）。別の実施形態では、第２のセットにおいて、コアに取り付けられた（１本又は複数本の）一本鎖オリゴヌクレオチドが、Ａと相補的なオリゴヌクレオチド配列Ａ’を有し、第２のセットの外側層に取り付けられた（１本又は複数本の）オリゴヌクレオチドが、Ｂと相補的なオリゴヌクレオチド配列Ｂ’を有する（図１７）。他の実施形態では、ナノデバイスの第１のセット及び第２のセットがチャンバ内に配置されており、チャンバの両側の電極に一本鎖オリゴヌクレオチドが取り付けられており、一方の電極が、オリゴヌクレオチドＡとＡ’の混合物を有し、もう一方の電極が、オリゴヌクレオチドＢとＢ’の混合物を有する。複合ナノデバイスの特定の実施形態では、ナノデバイスの第１のセット及び第２のセットが自己集合して格子状構造体を形成しており、この格子状構造体では、ナノデバイスのうちの実質的に全てのナノデバイスのコアが、ＡとＡ’とのハイブリッド化によって生成された二本鎖ＤＮＡのネットワークによって互いに接続されており、ナノデバイスのうちの実質的に全てのナノデバイスの外側層が、ＢとＢ’とのハイブリッド化によって生成された二本鎖ＤＮＡのネットワークによって互いに接続されている。特定の実施形態では、コアネットワークがさらに、オリゴヌクレオチドＡとＡ’の前記混合物が取り付けられた電極に接続されており、外側層ネットワークが、オリゴヌクレオチドＢとＢ’の前記混合物が取り付けられた電極に接続されている。
【００１７】
[0017]本明細書にはさらに、複数のナノバッテリであり、それぞれのナノバッテリが少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた（例えば図７〜９参照）、複数のナノバッテリと、複数のナノワイヤであり、金属コンタクト（例えば図１３参照）に接続されたナノワイヤによって複数のナノバッテリが並列に集積された、複数のナノワイヤとを含む複合バッテリデバイスが記載されている。特定の実施形態では、少なくとも２本のナノワイヤのうちのそれぞれのナノワイヤが、反対極性の金属板に動作可能に接続されており、以って閉じたエネルギー回路（例えば図９及び図２２Ｇ）を形成している。複合バッテリデバイスの特定の実施形態では、第１の電極がアノードである場合には第２の電極がカソードであり、又は第１の電極がカソードである場合には第２の電極がアノードである。複合バッテリデバイスのある種の実施形態では、それぞれのナノバッテリが、外部絶縁層をさらに備えることができる。
【００１８】
[0018]本明細書にはさらに、第１の電極を形成する内側球形コアと、誘電体材料を含むセパレータ層であり、内側コアと外側層との間に配置された、セパレータ層と、第１の電極とは反対の第２の電極を形成する外側層とを備えるナノキャパシタが記載されている（例えば図１３参照）。
【００１９】
[0019]本明細書にはさらに、複数の本発明のナノキャパシタであり、それぞれのナノキャパシタが少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた（例えば図７〜９参照）、複数のナノキャパシタと、複数のナノワイヤであり、金属コンタクト（例えば図１３参照）に接続されたナノワイヤによって複数のナノキャパシタが並列に集積された、複数のナノワイヤとを含む複合ナノキャパシタデバイスが記載されている。
【００２０】
[0020]本明細書にはさらに、ｐ型又はｎ型半導体である第１の半導体を形成する内側球形コアと、感光性の真性半導体を含むセパレータ層であり、内側コアと外側層との間に配置された、セパレータ層と、第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体を形成する外側層とを備えるナノ太陽電池が記載されている（例えば図１３参照）。
【００２１】
[0021]本明細書にはさらに、複数の本発明のナノ太陽電池であり、それぞれのナノ太陽電池が少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノ太陽電池と、複数のナノワイヤであり、金属コンタクト（例えば図１３参照）に接続されたナノワイヤによって前記複数のナノ太陽電池が並列に集積された、複数のナノワイヤとを含む、複合ナノ太陽電池デバイスが記載されている。
【００２２】
[0022]本明細書に記載された本発明の複合ナノデバイスに関しては、複数のナノデバイスのうちのそれぞれの１つのナノデバイスが、少なくとも２本のナノワイヤに動作可能に取り付けられており（例えば図７〜９参照）、少なくとも２本のナノワイヤのうちのそれぞれのナノワイヤが、反対極性の金属板に動作可能に接続されており、以って閉じたエネルギー回路（例えば図９、図２２Ｇ及び図１３参照）を形成している。特定の実施形態では、ナノワイヤが、金属−核酸ナノワイヤ（例えば金−ＤＮＡハイブリッド、銀−ＤＮＡハイブリッドなど）を含む。一実施形態では、ナノワイヤが、銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤを含む。特定の実施形態では、ナノワイヤが、ナノワイヤの周囲に絶縁層又はコーティングを有する（例えば図１３参照）。
【００２３】
[0023]本発明によれば、１つの大きなバッテリ又はキャパシタを使用する代わりに複数の対応するそれぞれのナノデバイスを含む複合形態の多数のナノスケールナノデバイス（例えば本明細書に記載された本発明のナノバッテリ又はナノキャパシタなど。例えば図１３参照）の並列接続は、コストをより低くし、一方で非常に大きなエネルギー密度を達成することが分かっている。本発明のナノデバイス（ナノユニット）は、本明細書の実施例の項に記載され、例えば図７〜１１及び１３に示された、電極又は金属板にアドレスされた例えばＤＮＡなどのポリマーを使用して、より大きな複合形態に自己集合することができる。特定の実施形態では、電極又は金属板が反対の極性を有する。本明細書に記載された１つの利点は、１つ又はいくつかの個々のナノデバイス（又はナノ構成要素）が故障した場合、それがデバイス機能全体に対して最小の影響を有することである。これは、集合的に並列に集積されて、例えば本明細書に記載された複合ナノバッテリ又は複合ナノキャパシタなどの複合ナノデバイスの全体を形成した、数１０億個及び／又は数兆個のナノデバイスが存在するためである。体積全体が最も効果的に利用されるため、エネルギー密度が増大する。
【００２４】
[0024]ナノバッテリ実施形態の他の利点は、とりわけ、Ｌｉイオンバッテリに打ち勝つ点が、それが取り扱うことができる電圧に基づく限界であり、それが電流密度に基づくこと、大きな構成要素を有する１つのデバイスの代わりに、接続されたナノスケールデバイス（並列集積ナノスケール構成要素（Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）−ＰＩＮＣ）が使用されること、それぞれの用途が、高度にスケーラブルで低コストであること、それぞれの用途が、さまざまな材料を使用することができること、バッテリ用途が、接続されたナノスケール構成要素を使用すること、多数のナノスケールバッテリの並列接続が使用されること、本発明のＰＩＮＣ構成が全相互作用体積を増大させ、このことがイオン電流密度を劇的に低減させること、理論上の最大エネルギー密度に近いこと、充電／再充電速度が急速であり、例えば、本明細書では、従来のバッテリよりも１００倍速い充電速度及び再充電速度が企図されること、極めて速い充電速度が秒の範囲であること、直列接続なしで高電圧が得られること、電流が安定していること、並びに全体的な安全性が向上することを含む。
【００２５】
[0025]例えば、本明細書に記載された本発明の「複合ナノバッテリ」及びナノバッテリデバイスに関しては、再充電及び充電速度時間（ｒａｔｅ  ｔｉｍｅ）が、数分から数フェムト秒の範囲をとりうる。したがって、一実施形態では、ナノバッテリ又は複合ナノバッテリの再充電速度時間が、６０’（すなわち６０分）、５０’、４０’、３０’、２０’、１０’、９’、８’、７’、６’、５’、４’、３’、２’及び１’未満からなるグループから選択される。別の実施形態では、再充電速度時間が、５５秒、５０秒、４５秒、４０秒、３５秒、３０秒、２５秒、２０秒、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２及び１秒未満からなるグループから選択される。他の実施形態では、再充電速度時間が、１秒、１デシ秒、１センチ秒、１ミリ秒、１マイクロ秒、１ナノ秒、１ピコ秒及び１フェムト秒未満からなるグループから選択される。同様に、本明細書に記載された本発明の「複合ナノバッテリ」及びナノバッテリデバイスに関しては、充電速度時間が、６０’（すなわち６０分）、５０’、４０’、３０’、２０’、１０’、９’、８’、７’、６’、５’、４’、３’、２’及び１未満からなるグループから選択される。別の実施形態では、再充電速度時間が、５５秒、５０秒、４５秒、４０秒、３５秒、３０秒、２５秒、２０秒、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２及び１秒未満からなるグループから選択される。他の実施形態では、再充電速度時間が、１秒、１デシ秒、１センチ秒、１ミリ秒、１マイクロ秒、１ナノ秒、１ピコ秒及び１フェムト秒未満からなるグループから選択される。
【００２６】
[0026]ナノキャパシタ実施形態の他の利点は、とりわけ、多数のナノスケールキャパシタの並列接続、ウルトラキャパシタの高い静電容量、従来のキャパシタに打ち勝つ高電圧、ウルトラキャパシタの極端な充電／放電速度、ウルトラキャパシタの極端な寿命／信頼性、並びにウルトラキャパシタの安全性及び極端な寿命、電極間のナノスケールギャップ及び極端な表面積による、安全で低コストの材料の、極端なエネルギー密度の蓄積、極端な再充電速度、高い安定性及び安全性、並びに本質的に「無限の」寿命を含む。
【００２７】
[0027]本発明のＰＩＮＣナノキャパシタ構成の場合、有効電極表面積は劇的に増大し、一方で、電極の非常に短い距離を維持し、したがって、電極間の短い距離から、及び静電容量を増大させる極めて長い電極表面積を有することから、依然として利益を得ることができる。実施例１４及び図２０及び２１のシミュレーションが示しているとおり、本明細書では、フェムト秒の理論レベルを達成するまで、キャパシタをはるかに速く充電することが企図される。他の実施形態では、ナノキャパシタが並列に接続されているときに、複合デバイスは依然として、秒よりも数桁速い速度など、極めて速い速度で充電されるであろう。
【００２８】
[0028]本明細書に記載された本発明の「複合ナノキャパシタ」及びナノキャパシタデバイスに関しては、再充電及び充電速度時間が、数分から数フェムト秒の範囲をとりうる。したがって、一実施形態では、複合ナノナノキャパシタ又はナノキャパシタの再充電速度時間が、６０’（すなわち６０分）、５０’、４０’、３０’、２０’、１０’、９’、８’、７’、６’、５’、４’、３’、２’及び１’未満からなるグループから選択される。別の実施形態では、再充電速度時間が、５５秒、５０秒、４５秒、４０秒、３５秒、３０秒、２５秒、２０秒、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２及び１秒未満からなるグループから選択される。他の実施形態では、再充電速度時間が、１秒、１デシ秒、１センチ秒、１ミリ秒、１マイクロ秒、１ナノ秒、１ピコ秒及び１フェムト秒未満からなるグループから選択される。同様に、本明細書に記載された本発明の「複合ナノキャパシタ」及びナノキャパシタデバイスに関しては、充電速度時間が、６０’（すなわち６０分）、５０’、４０’、３０’、２０’、１０’、９’、８’、７’、６’、５’、４’、３’、２’及び１未満からなるグループから選択される。別の実施形態では、再充電速度時間が、５５秒、５０秒、４５秒、４０秒、３５秒、３０秒、２５秒、２０秒、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２及び１秒未満からなるグループから選択される。他の実施形態では、再充電速度時間が、１秒、１デシ秒、１センチ秒、１ミリ秒、１マイクロ秒、１ナノ秒、１ピコ秒及び１フェムト秒未満からなるグループから選択される。
【００２９】
[0029]ナノ太陽電池実施形態の他の利点は、とりわけ、多数のナノスケール太陽電池の並列接続、ナノ構造体による励起子再結合の抑制、及び幅広い調整可能なスペクトル応答を含む。
【００３０】
[0030]ナノＬＥＤの実施形態の他の利点は、とりわけ、ナノスケール発光ダイオードの使用、及び多色の幅の狭い発光スペクトルを含む。
【００３１】
[0031]ナノサーム実施形態の他の利点は、とりわけ、ナノスケール熱電デバイスの並列接続、及び高い電気導電率を可能にし、同時に低い熱伝導率又はゼロ熱伝導率を提供する複合ナノ構造体を含む。
【００３２】
［参照による組込み］
[0032]本明細書では、本明細書において言及された全ての発行特許、公開特許出願、及び非特許発表物が、それぞれの個々の発行特許、公開特許出願又は非特許発表物があたかも、参照によって組み込まれていると、特に及び個々に示されているのと同じ程度に、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１Ａ及び２Ａはコア（例えば極１）へのナノワイヤの取付けを示す図である。
【図２】コア表面の官能基化／活性化を示す図である。
【図３】内側シェルの成長を示す図である。
【図４】内側シェル表面の官能基化／活性化を示す図である。
【図５】外側シェルの成長を示す図である。
【図６】外側シェル（例えば極２）へのナノワイヤの取付けを示す図である。
【図７】外側シェルのコーティング／絶縁を示す図である。
【図８】並列集積ナノ構成要素（ＰＩＮＣ）の自己集合を示す図である。
【図９】並列集積ナノ構成要素（ＰＩＮＣ）の自己集合を示す図である。
【図１０】並列集積ナノ構成要素（ＰＩＮＣ）からなる複合ナノデバイスを示す図である。
【図１１】本発明の複合ナノキャパシタデバイスを製造する一般化された方法を示す図である。
【図１２】本発明のナノデバイスのサイズ範囲の代表的な例を示す図である。
【図１３】ナノバッテリ、ナノキャパシタ、ナノＬＥＤ／太陽電池及び本発明のナノ熱電デバイスを含む、本発明のナノデバイスの一般的なモデルを示す図である。
【図１４】コアに取り付けられたＤＮＡによる円筒状の隙間の生成を示す図である。
【図１５】ＤＮＡナノワイヤ又は外側シェルを絶縁するためのオプションを示す図である。
【図１６】ナノデバイスのコア電極及び反対の電極の両方の電極への対応するそれぞれのＤＮＡナノワイヤの接続を示す図である。
【図１７】格子状並列集積ナノ構成要素構造体を形成する準備においてナノ構成要素の２つのセットが使用される実施形態を示す図である。
【図１８】ナノ構成要素の２つのセットによる格子状並列集積ナノ構成要素構造体の形成を示す図である。
【図１９】導電性ナノワイヤの例示的な実施形態を示す図である。
【図２０】キャパシタ幾何学的構造１〜３の性能指標（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｍｅｔｒｉｃ）を示す図である。
【図２１】キャパシタ幾何学的構造１〜３の時間応答性能指標を示す図である。
【図２２】実施例９に記載された複合ナノキャパシタデバイスケミストリを示す図である。
【００３４】
［詳細な説明］
[0055]本明細書にはナノデバイスが記載されており、このナノデバイスは、第１の極を形成する内側球形コアと、内側コアと外側層との間に配置された任意選択的なセパレータ層と、第２の極を形成する外側層とを備える。このナノデバイスは、外部コーティング層をさらに備えることができる。
【００３５】
[0056]特定の実施形態では、ナノデバイスがナノバッテリであり、第１の極が第１の電極であり、セパレータ層が、イオン拡散を可能にするために多孔性である材料を含み、第２の極が、第１の電極とは反対の第２の電極である。
【００３６】
[0057]一実施形態では、ナノデバイスがナノキャパシタであり、第１の極が第１の電極であり、セパレータ層が誘電体材料を含み、第２の極が、第１の電極とは反対の第２の電極である。
【００３７】
[0058]別の実施形態では、ナノデバイスがナノ太陽電池であり、第１の極が、ｐ型又はｎ型半導体であり、セパレータ層が、感光性の真性半導体を含み、第２の極が、第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体である。
【００３８】
[0059]別の実施形態では、ナノデバイスがナノＬＥＤであり、第１の極が、ｐ型又はｎ型半導体であり、第２の極が、第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体である。
【００３９】
[0060]バッテリ
本明細書にはさらに、第１の電極を形成する内側球形コアと、内側コアと外側層との間に配置されたセパレータ層と、第２の電極を形成する外側層とを備えるナノバッテリが記載されている。特定の実施形態では、セパレータ層が、イオン拡散を可能にするために多孔性である。本発明のナノバッテリの特定の実施形態では、第１の電極がアノードである場合には第２の電極がカソードであり、又は第１の電極がカソードである場合には第２の電極がアノードである。
【００４０】
[0061]１つのアノード及び１つのカソードを有する代わりに、本発明の複合ナノバッテリは、接続されたナノスケールの低容量バッテリ、好ましくは並列に接続されたナノスケールの低容量バッテリを利用する。それぞれのアノード及びカソードは、それらの厚さが、樹枝状結晶の形成を防ぐ最小限のものとなるように構築されており、アノードとカソードは、イオンが流れることを許す多孔性材料によって分離されている。
【００４１】
[0062]電解液は非常に薄いセクションを通過するため、実際には電解液は速く移動している。電流密度が非常に低いため、樹枝状結晶形成の可能性は非常に低い。特定の実施形態では、本明細書に開示されたナノバッテリ及び他のナノデバイスがナノワイヤを使用して並列に接続されており、このことが大容量を可能にする。
【００４２】
[0063]本明細書で使用されるとき、用語「ナノワイヤ（ｎａｎｏｗｉｒｅ）」又は「ナノワイヤ（ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」は、金属−核酸など、電流を伝導することができるナノスケールレベルの任意の材料を指す。本明細書で使用されるとき、句「金属−核酸」は、銀、金などの導電性金属とＤＮＡ、ＲＮＡなどの任意の核酸との任意のハイブリッドを指す。本明細書で使用する例示的なナノワイヤは、銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤであり、銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤは、Ｋｏｎｄｏ他（２０１７）、Ｎａｔｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第９巻、２０１７年１０月：９５６〜９６０頁；オンライン発表日：２０１７年７月３日；ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＣＨＭ．２８０８の記載に従って製作することができる。この文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。本明細書で使用することが企図される別の銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤがＢｒａｕｎ他（１９９８年２月）、Ｎａｔｕｒｅ、第３９１巻、７７５〜７７８頁に記載されており、この銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤは、この文献の記載に従って製作することができる。この文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【００４３】
[0064]この特定の実施形態では、それぞれのナノユニットバッテリが、最良の表面積／体積比を与える球形であるため、熱放散は非常に効率的である。別の利点は、１つのナノバッテリが故障した場合でも、本発明の複合バッテリが動作／機能し続けるように、（例えばナノワイヤを介して）並列に接続された残りのナノバッテリが依然として動作することである。別の利点は、多数の製造工程を必要とする代わりに、ナノバッテリユニットが大量に製造された後は、複合バッテリユニットが自己集合し、コストを大幅に低減させることである。
【００４４】
[0065]本明細書で使用されるとき、本明細書に記載されたナノバッテリ、ナノキャパシタなどの複合ナノデバイスアセンブリの文脈おいて、句「自己集合」又は「自己集合した」は、適当なハイブリッド化条件下で、ナノ構成要素が、複合ナノデバイス内又は対応するそれぞれの金属コンタクト内で自己集合するような態様で、ナノワイヤ（例えばＤＮＡナノワイヤ）及びそれらの対応するそれぞれの捕獲試薬（ｃａｐｔｕｒｅ  ｒｅａｇｅｎｔ）（例えば相補オリゴヌクレオチド）を、本発明のナノ構成要素及び対応するそれぞれの金属コンタクト（例えば反対の電極）に接続することを指す（図６〜９及び図１１Ｈ〜Ｊなどを参照されたい）。
【００４５】
[0066]いくつかの実施形態では、ナノバッテリが、外部絶縁層をさらに備える。特定の実施形態では、この絶縁層が、外側シェル層を覆うことができる。ナノバッテリの一実施形態では、第１の電極が、三酸化ビスマス、酸化コバルト粒子、二硫化鉄、リチウムアルミニウム合金、炭酸リチウム、酸化リチウムコバルト、リン酸リチウムコバルト、水酸化リチウム、水酸化リチウム、リン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）、酸化リチウム鉄（ＩＩＩ）、二酸化リチウムマンガン、酸化リチウムマンガンニッケル（ＬＭＮＯ）、酸化リチウムマンガン（ＬＭＯ）、モリブデン酸リチウム、酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウム、酸化リチウムニッケルコバルト、二酸化リチウムニッケル、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウムケイ素合金、リチウムスズ合金、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムスピネル、酸化マンガン（ＩＶ）、水酸化ニッケル、クロム酸銀、酸化銀及び五酸化バナジウムからなるグループから選択された材料を含むカソード−コアである。
【００４６】
[0067]ナノバッテリのある種の実施形態では、セパレータ層が、イオン拡散を可能にするために多孔性である材料を含む。ナノバッテリの特定の実施形態では、外側層が、炭素、銅炭素、塩化銅、硫化銅、酸化銅（ＩＩ）、グラフェン、酸化グラフェン単分子層、黒鉛、セレン化マンガン、カリウム黒鉛、熱分解黒鉛、ケイ素、酸化スズ、リチウム金属及び亜鉛からなるグループから選択された材料を含むアノードである。
【００４７】
[0068]本発明ナノバッテリの特定の実施形態では、ナノバッテリの直径が、約１ｎｍ〜約９００ナノメートル、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約３ｎｍ〜約３００ｎｍ、約４ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５〜約１５０ｎｍ、約１０〜約１５０、約１５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１５ｎｍ〜約１００ｎｍ、２０ｎｍ〜約７５ｎｍ、約２５ｎｍ〜約５０ｎｍからなるグループから選択されている。ナノバッテリの他の実施形態では、コアの直径、又はセパレータ層及び外側層のそれぞれの層の厚さがそれぞれ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９及び５０ｎｍからなるグループから選択されている。
【００４８】
[0069]本明細書にはさらに、複数のナノバッテリであり、それぞれのナノバッテリが少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノバッテリと、複数のナノワイヤであり、金属コンタクトに接続されたナノワイヤによって複数のナノバッテリが並列に集積された、複数のナノワイヤとを含む複合バッテリデバイスが記載されている。特定の実施形態では、少なくとも２本のナノワイヤのうちのそれぞれのナノワイヤが、反対極性の金属板に動作可能に接続されており、以って閉じたエネルギー回路（例えば図２２Ｇ）を形成している。複合バッテリデバイスの特定の実施形態では、第１の電極がアノードである場合には第２の電極がカソードであり、又は第１の電極がカソードである場合には第２の電極がアノードである。複合バッテリデバイスのある種の実施形態では、それぞれのナノバッテリが、外部絶縁層をさらに備えることができる。
【００４９】
[0070]本発明によれば、大きな１つのバッテリ又はキャパシタを使用する代わりに複数の対応するそれぞれのナノデバイスを含む複合形態（「複合ナノデバイス」）の多数のナノスケールナノデバイス（例えば本明細書に記載された本発明のナノバッテリ又はナノキャパシタなど）の並列接続は、いくつかある利点の中でも特に、コストをより低くし、一方で非常に大きなエネルギー密度を達成することが分かっている。本発明のナノデバイス（ナノユニット）は、本明細書の実施例の項に記載され、図に示された、電極又は金属板にアドレスされた例えばＤＮＡナノワイヤなどのポリマーを使用して、より大きな複合形態に自己集合することができる。特定の実施形態では、電極又は金属板が反対の極性を有する。１つ又はいくつかの個々の構成要素が故障した場合、それはデバイス機能に対して最小の影響を有する。体積全体が最も効果的に利用されるため、エネルギー密度が増大する。
【００５０】
[0071]本明細書で使用されるとき、複合ナノバッテリ、複合ナノキャパシタ、複合ナノ太陽電池、複合ナノＬＥＤ、複合熱電デバイスなどの文脈で使用される句「複合ナノデバイス」は、複数の個々のナノデバイスの集積、好ましくは複数の個々のナノデバイスの並列での集積によって、それらの個々のエネルギー又は電気若しくは電力若しくは又は導電率値が累積し、又は一緒に追加され、それらが複合単一ユニット（例えば複合バッテリユニット、複合キャパシタユニット、複合太陽電池ユニット、複合ＬＥＤユニット及び複合熱電ユニット）全体から送達されるような態様で、単一の電気ユニット、導電ユニット又はエネルギーユニットとして機能するデバイスを指す。本発明の複合ナノデバイス（例えば複合ナノバッテリなど）を形成するために並列に結合することができるナノデバイス（又はナノ構成要素）の数又は量は、少なくとも１０６、１０７、１０８、１０９、１０１０、１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５、１０１６、１０１７、１０１８、１０１９、１０２０及び少なくとも１０２１からなるグループから選択することができる。
【００５１】
[0072]したがって、本発明の複合ナノバッテリは、一緒に並列に集積されてより大きな１つのバッテリユニットを形成した、複数の本発明のナノバッテリを指す。同様に、本発明の複合ナノキャパシタは、一緒に並列に集積されてより大きな１つのキャパシタユニットを形成した、複数の本発明のナノキャパシタを指す。同様に、本発明の複合ナノ太陽電池は、一緒に並列に集積されてより大きな１つの太陽電池ユニットを形成した、複数の本発明のナノ太陽電池を指す。同様に、本発明の複合ナノＬＥＤは、一緒に並列に集積されてより大きな１つのＬＥＤユニットを形成した、複数の本発明のナノＬＥＤを指す。同様に、本発明の複合ナノ熱電デバイスは、一緒に並列に集積されてより大きな１つの熱電ユニットを形成した、複数の本発明のナノ熱電デバイスを指す。
【００５２】
[0073]本発明の複合バッテリデバイスのある種の実施形態では、複合バッテリデバイスのそれぞれのナノバッテリに関して、第１の電極が、三酸化ビスマス、酸化コバルト粒子、二硫化鉄、リチウムアルミニウム合金、炭酸リチウム、酸化リチウムコバルト、リン酸リチウムコバルト、水酸化リチウム、水酸化リチウム、リン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）、酸化リチウム鉄（ＩＩＩ）、二酸化リチウムマンガン、酸化リチウムマンガンニッケル（ＬＭＮＯ）、酸化リチウムマンガン（ＬＭＯ）、モリブデン酸リチウム、酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウム、酸化リチウムニッケルコバルト、二酸化リチウムニッケル、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウムケイ素合金、リチウムスズ合金、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムスピネル、酸化マンガン（ＩＶ）、水酸化ニッケル、クロム酸銀、酸化銀、五酸化バナジウムからなるグループから選択された材料を含むカソード−コアである。
【００５３】
[0074]特定の実施形態では、複合バッテリデバイス内のそれぞれのナノバッテリに関して、セパレータ層が、イオン拡散を可能にするために多孔性である材料を含む。本発明の複合バッテリデバイスのある種の実施形態では、複合バッテリデバイスのそれぞれのナノバッテリに関して、外側層が、炭素、銅炭素、塩化銅、硫化銅、酸化銅（ＩＩ）、グラフェン、酸化グラフェン単分子層、黒鉛、セレン化マンガン、カリウム黒鉛、熱分解黒鉛、ケイ素、酸化スズ、リチウム金属及び亜鉛からなるグループから選択された材料を含むアノードである。
【００５４】
[0075]複合バッテリデバイスなどの本発明の複合ナノデバイスの特定の実施形態では、例えば本発明のナノバッテリなどのそれぞれのナノデバイスの直径が、約１ｎｍ〜約９００ナノメートル、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約３ｎｍ〜約３００ｎｍ、約４ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５〜約１５０ｎｍ、約１０〜約１５０、約１５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１５ｎｍ〜約１００ｎｍ、２０ｎｍ〜約７５ｎｍ、約２５ｎｍ〜約５０ｎｍからなるグループから選択されている。例えば複合バッテリデバイスなどの本発明の複合ナノデバイスの他の実施形態では、例えばナノバッテリなどの、複合ナノデバイスのそれぞれのナノデバイスに関して、コアの直径、又はセパレータ層及び外側層のそれぞれの層の厚さがそれぞれ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９及び５０ｎｍからなるグループから選択されている。
【００５５】
[0076]本明細書に記載された本発明の複合ナノバッテリデバイスに関しては、複数のナノバッテリのうちのそれぞれの１つのナノバッテリが、少なくとも２本のナノワイヤに動作可能に取り付けられており、少なくとも２本のナノワイヤのうちのそれぞれのナノワイヤが、反対極性の金属板に動作可能に接続されており、以って閉じたエネルギー回路（例えば図２２Ｇ）を形成している。本発明のナノバッテリデバイスの特定の実施形態では、ナノワイヤが、金属−核酸ナノワイヤ（例えば金−ＤＮＡハイブリッド、銀−ＤＮＡハイブリッドなど）を含む。一実施形態では、ナノワイヤが、銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤを含む。
【００５６】
[0077]キャパシタ
キャパシタの場合、以前の改良は、２つの電極間の距離を小さくすること、及び、この場合も、電荷容量を増大させることに重点を置いていた。しかしながら、多孔性、したがって電極の有効厚さを向上させることによってエネルギー密度を増大させることが、常にエネルギー容量に直接につながるとは限らない。従来のキャパシタでは、電極が、大量の電荷を保持することができるが、既存の材料によってこの距離を大幅に小さくすることはできない。新世代のキャパシタは、電極の電荷密度を増大させることを試みている。次いで、この距離を小さくするため、新世代のキャパシタは二重層を使用する。二重層を使用することによって、電場を発生させる非常に薄い電圧バリアが生じる。この電場はこの距離に反比例するため、その非常に薄い層は静電容量を向上させるのに役立つ。しかしながら、問題は、高電圧を使用すると二重層が壊れるため、全電圧を増大させること、したがって二重層が保持する電荷を増大させることができないことである。
【００５７】
[0078]本発明によれば、大きなスーパーキャパシタの代わりに、（通常の）ナノユニットキャパシタ、好ましくは並列に接続された（通常の）ナノユニットキャパシタを利用した複合キャパシタが提供される。特定の実施形態では、それらのナノキャパシタが、本明細書に記載されたナノワイヤを使用して並列に接続されている。本明細書で企図される利点は、高い電圧容量及び高いエネルギー密度に到達する潜在性である。それは、２つの別個の電極のエネルギー密度を別々に増大させるのには役立たないことが分かっている。これは、それらが３次元になり、電極の遠い方の面に関して２つの電極間の距離がかなり大きくなり始めるためである。全電圧によって制限される二重層を使用することによってこの問題を解決しようと試みることは、キャパシタがバッテリよりもはるかに低いエネルギー密度になるため、依然として、キャパシタの大容量要求に対処することができない。
【００５８】
[0079]したがって、本明細書には、第１の電極を形成する内側球形コアと、誘電体材料を含むセパレータ層であり、内側コアと外側層との間に配置された、セパレータ層と、第１の電極とは反対の第２の電極を形成する外側層とを備えるナノキャパシタが記載されている。ナノキャパシタの特定の実施形態では、第１及び／又は第２の電極が、金、銀、鉄及び白金などからなるグループから、第１及び第２の電極が同じ金属又は異なる金属を含むことができるように選択された金属である。したがって、第１の電極「及び」第２の電極、並びに第１の電極「又は」第２の電極が、金、銀、鉄及び白金などからなるグループから選択された金属であることを当業者は理解するであろう。ナノキャパシタの特定の実施形態では、セパレータ層を形成している誘電体材料が、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２又はこれらの酸化物の任意の混合物などからなるグループから選択された酸化物である。
【００５９】
[0080]本明細書にはさらに、複数の本発明のナノキャパシタであり、それぞれのナノキャパシタが少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノキャパシタと、複数のナノワイヤであり、金属コンタクトに接続されたナノワイヤによって複数のナノキャパシタが並列に集積された、複数のナノワイヤとを含む複合ナノキャパシタデバイスが記載されている。
【００６０】
[0081]太陽電池
太陽電池は通常、ｐｉｎ接合であり、ｐｉｎ接合には、ｐ接合とｎ接合の間の電荷不均衡のために静電場が存在する。さらに、光学的に感応性の真性領域が存在し、光子が真性領域に当たると、構成している核から電子がはじき出される。この電場によって、電子は分離され、電場の方向に対して流れる。問題は、電子が通過する距離が長い場合には、再結合が全体の効率に影響を及ぼす可能性が非常に高くなることである。電場分離が長い場合には、光子相互作用のためのより多くの活性領域が存在するが、光子が移動するにつれて、再結合の可能性が高まる。電場分離のギャップを狭くすると再結合の機会は減るが、活性エリアも減る。
【００６１】
[0082]本発明のナノ太陽電池及び複合太陽電池はスイートスポットを利用する。例えば、（例えば本発明の複合太陽電池を形成するために）本発明のナノ太陽電池を互いに並列に接続することは、非常に薄い透明な活性エリアを有する複合太陽電池（本明細書ではユニット太陽電池とも呼ぶ）を提供するが、同時に、ナノ太陽電池の電極は非常に薄く透明で、光を通す。したがって、全ての活性エリアが、太陽光へのアクセスを有利に有する。
【００６２】
[0083]したがって、本明細書には、ｐ型又はｎ型半導体である第１の半導体を形成した内側球形コアと、感光性の真性半導体を含むセパレータ層であり、内側コアと外側層との間に配置された、セパレータ層と、第１の半導体とは異なる第２のｐ型又はｎ型半導体を形成した外側層とを備えるナノ太陽電池が記載されている。
【００６３】
[0084]本明細書にはさらに、複数の本発明のナノ太陽電池であり、それぞれのナノ太陽電池が少なくとも２本のナノワイヤに取り付けられた、複数のナノ太陽電池と、複数のナノワイヤであり、金属コンタクトに接続されたナノワイヤによって前記複数のナノ太陽電池が並列に集積された、複数のナノワイヤとを含む、複合ナノ太陽電池デバイスが記載されている。
【００６４】
[0085]本明細書に記載された本発明の複合ナノデバイスに関しては、複数のナノデバイスのうちのそれぞれの１つのナノデバイスが、少なくとも２本のナノワイヤに動作可能に取り付けられており、少なくとも２本のナノワイヤのうちのそれぞれのナノワイヤが、反対極性の金属板に動作可能に接続されており、以って閉じたエネルギー回路（例えば図２２Ｇ）を形成している。特定の実施形態では、ナノワイヤが、金属−核酸ナノワイヤ（例えば金−ＤＮＡハイブリッド、銀−ＤＮＡハイブリッドなど）を含む。一実施形態では、ナノワイヤが、銀−ＤＮＡハイブリッドナノワイヤを含む。
【００６５】
[0086]熱電デバイス
本明細書に記載された熱電デバイスは、低い熱伝導率を有し、その一方で高い電気導電率を有し、このことは、それらの熱電デバイスが、非常に効率的な熱電デバイスになることを可能にする。本発明によれば、巨視的構成要素を有するデバイスを有する代わりに、ナノ構成要素（例えば熱電デバイス）を有することが、デバイス性能を劇的に向上させる利益を提供することが企図される。ナノ構造体のサイズが、フォノンの平均自由行程（ＭＦＰ）に匹敵するとき、境界とのフォノンの衝突は、バルク材料中で起こるものよりもはるかに頻繁である。そうであれば、熱流に対する抵抗は増大し、有効熱伝導率は低下する（Ｃｈｅｎ，Ｇ．、Ｐｈｏｎｏｎ  ｈｅａｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｔｈｅｒｍ．Ｓｃｉ．４、４７１〜４８０（２０００）。この文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている）。さらに、同じくフォノンのＭＦＰがデバイスの寸法に匹敵する場合には、フォノンが希薄化され、熱抵抗を増大させる。さらに、低い熱伝導率を許す方式でフォノンスペクトルも変更されうる（Ｃｈｅｎ，Ｇ．、Ｐｈｏｎｏｎ  ｈｅａｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｔｈｅｒｍ．Ｓｃｉ．４、４７１〜４８０（２０００））。したがって、本明細書に記載された本発明の方法（ＰＩＮＣ）及びナノ熱電デバイスは、熱伝導が非常に低く、同時に電気伝導が依然として高く、熱電デバイスの効率の劇的な増大を達成する構造体を可能にする。
【実施例】
【００６６】
[0087]実施例１−コアへのナノワイヤの取付け（図１）
キャパシタ構成  −  金−シリカ−金
金属（すなわち金、銀、鉄及び白金）ナノ粒子（例えば本発明のナノデバイス）を溶液に懸濁させる。チオール修飾された一本鎖ＤＮＡ（又は、他の実施形態では、二本鎖ＤＮＡ又はＲＮＡを利用することができる）オリゴヌクレオチド（又はペプチド、ポリアミノ酸などの他の有機、無機ポリマー）を、コロイド状金属ナノ粒子とともに溶液中でインキュベートする。図１Ｂに示されているように、コロイド状ナノ粒子に１本又は複数本のオリゴヌクレオチドが取り付けられる。
【００６７】
[0088]バッテリ構成  −  ＬｉＣｏＯ２−シリカ−酸化グラフェン
方法１：カルボキシル基（又はヒドロキシル基、リン酸基など）などの負に帯電した基で官能基化されたオリゴヌクレオチドを、コロイド状ナノ粒子コア材料とともにインキュベートする。このオリゴヌクレオチドのもう一方の末端は、通常は長さ５〜２０塩基対である特定のコード配列（配列Ａ）を有する（図１Ａ）。
【００６８】
[0089]方法２：（内側球形コアに対応する）カソードコアを、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（ポリ（３，４−エチレン−ジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）などの負に帯電した導電性ポリマーでコーティングする（図１Ｂ）。次いで、一方の末端から（金などの）ナノ粒子に結合したオリゴヌクレオチドを、コーティングされたコアとともにインキュベートして、オリゴヌクレオチドがコア表面に吸着されるようにする（図１Ｂ及び図２参照）。本明細書で使用する適当な「カソード」材料は、限定はされないが、三酸化ビスマス、酸化コバルト粒子、二硫化鉄、リチウムアルミニウム合金、炭酸リチウム、酸化リチウムコバルト、リン酸リチウムコバルト、水酸化リチウム、水酸化リチウム、リン酸リチウム鉄（ＬＦＰ）、酸化リチウム鉄（ＩＩＩ）、二酸化リチウムマンガン、酸化リチウムマンガンニッケル（ＬＭＮＯ）、酸化リチウムマンガン（ＬＭＯ）、モリブデン酸リチウム、酸化リチウムニッケルコバルトアルミニウム、酸化リチウムニッケルコバルト、二酸化リチウムニッケル、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、リチウムケイ素合金、リチウムスズ合金、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムスピネル、酸化マンガン（ＩＶ）、水酸化ニッケル、クロム酸銀、酸化銀、五酸化バナジウムなどを含む。
【００６９】
[0090]全ての構成に共通する事項
オリゴヌクレオチドは、２つの部分配列Ａ１及びＡ２からなる特定のヌクレオチド配列を有する（図１Ａ及び図２）。配列Ａ１の長さは通常５〜２０塩基対であり、これらの塩基対は、対応するそれぞれの金属コンタクトに取り付けられた相補的なオリゴヌクレオチド配列を介して一方の金属コンタクト（極１）にコアをアドレスするために使用される配列である。もう一方の配列がＡ２であり、この配列を、相補鎖Ａ２’でハイブリッド化することができ、ある種の実施形態では、このハイブリッド化が、ナノワイヤに安定性を追加するため、及び／又はナノワイヤを導電性にする目的に使用される方法に基づく電気伝導を可能にするために企図される。Ａ２の長さは、２つの金属コンタクト（極１及び２。図１Ａ、図８及び図９参照）の所望の分離距離に基づいて調整することができる。
【００７０】
[0091]実施例２−コア表面の官能基化／活性化（図２）
キャパシタ構成  −  金−シリカ−金：安定化及び／又はさらなる成長ために、金ナノ粒子表面にチオール基が付着して表面でシランを発現するシラン（すなわち（３−メルカプトプロピル）トリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）によって、又は金ナノ粒子表面にシラン基が引きつけられて表面でシラン基とアミン基の両方を発現する（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（又はメトキシシラン）（ＡＰＴＥＳ／ＡＰＴＭＳ）によって、又はクロロメチルシラン（ＣＴＭ）などによって、金ナノ粒子の表面を官能基化する。適用可能ならば、このオリゴヌクレオチドを、Ａ２’相補鎖でハイブリッド化する。当技術分野では、一本鎖ＤＮＡを導電性にするさまざまな方法が知られているため、本明細書のある種の実施形態では、ＤＮＡが一本鎖である。しかしながら、本明細書では、他の実施形態において、安定性目的で、二本鎖ＤＮＡを使用することが企図される。例えば、Ｋｏｎｄｏ，Ｊ．他、Ａ  ｍｅｔａｌｌｏ−ＤＮＡ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｗｉｔｈ  ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ  ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｉｌｖｅｒ  ａｒｒａｙ、Ｎａｔ．Ｃｈｅｍ．９、（２０１７）、Ｒａｋｉｔｉｎ，Ａ．他、Ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ＤＮＡ：ＤＮＡ  ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｂｌｏｃｋｓ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８６、３６７０〜３６７３（２００１）、及びＸｉａ他、Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ｄｅｒｉｖｅｄ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．８、１８３７〜１８６６（２０１５）に記載された方法を参照されたい。これらの文献はそれぞれ、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【００７１】
[0092]全ての構成に対する一般的なゾル−ゲル（すなわちシリカ、チタニア）ケミストリ
安定化及び／又はさらなる成長のために、コア表面にチオール基が付着して表面でシランを発現する（３−メルカプトプロピル）トリメトキシシラン、又はコア表面にシラン基が引きつけられて表面でシラン基とアミン基の両方を発現する（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（又はメトキシシラン）（ＡＰＴＥＳ／ＡＰＴＭＳ）によって、コア表面、又はコーティングされたコア表面をさらに官能基化する。特定の実施形態では、Ｈｏｎｇ，Ｗ．及びＭｉｎｇ−Ｃａｉ，Ｃ．、Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＬｉＣｏＯ２  ｂｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ＭｇＯ／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｙ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔ．９、Ａ８２〜Ａ８５（２００６）に記載されているようにして、この表面を、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２又はこれらの混合物などの酸化物でさらにコーティングする。この文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている）。適用可能ならば、オリゴヌクレオチドを相補鎖でハイブリッド化する。当技術分野では、一本鎖ＤＮＡを導電性にするさまざまな方法が知られているため、本明細書のある種の実施形態では、ＤＮＡが一本鎖である。しかしながら、本明細書では、他の実施形態において、安定性目的で、二本鎖ＤＮＡを使用することが企図される。（Ｋｏｎｄｏ他  ２０１７、Ｒａｋｉｔｉｎ他  ２００１及びＸｉａ他  ２０１５を参照されたい。これらの文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている）。
【００７２】
[0093]実施例３−内側シェルの成長（図３）
よく知られたゾル−ゲル法（例えば、Ｓｔｏｂｅｒ法又はその修正法）を使用して、さらに、シリカを、コアの上の内側シェルとして成長させる。この方法は、核生成部位として表面のシランを使用すること、及びシリカ重縮合反応のための前駆体としてケイ酸を使用することを含む。例えばＯｒｔａｃ，Ｉ．他、Ｄｕａｌ−Ｐｏｒｏｓｉｔｙ  Ｈｏｌｌｏｗ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｉｍｍｕｎｏｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｏｆ  Ｎｏｎｈｕｍａｎ  Ｅｎｚｙｍｅｓ、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．１４、３０２３〜３０３２（２０１４）、並びにＹａｎｇ，Ｊ．、Ｌｉｎｄ，Ｊ．Ｕ．及びＴｒｏｇｌｅｒ，Ｗ．Ｃ．、Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｈｏｌｌｏｗ  Ｓｉｌｉｃａ  ａｎｄ  Ｔｉｔａｎｉａ  Ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅｓ、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．２０、２８７５〜２８７７（２００８）に記載された方法を参照されたい。これらの文献はそれぞれ、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。さらなる溶解又は最終的なか焼は、ナノ／メソ多孔性の固体（又は固体様）内側シェルの形成を可能にし、これは、ヒドロキシル基の除去を可能にし、層の導電性を低下させる。ゾル−ゲル（すなわちシリカゾル−ゲル）層によって形成された分離層は、本発明のバッテリ用途に適した、イオン伝導のための多孔性を提供する。
【００７３】
[0094]実施例４−内側シェル表面の官能基化／活性化（図４）
特定の実施形態では、内側シェル表面を、シラン（すなわちＭＰＴＭＳ、ＡＰＴＥＳ、ＡＰＴＭＳ及びＣＭＴＳ）によってさらに官能基化することができる。例えば、ＭＰＴＭＳを使用して、表面に発現したチオール基を追加することができる。このステップは、大部分の酸化物プロセスの結果として任意選択的であり、その結果として、通常は表面電荷が負電荷を持つ。
【００７４】
[0095]実施例５−外側シェルの成長（図５）
キャパシタ構成  −  金−シリカ−金
金外側シェルの成長を促進するため、約１〜約１０ｎｍのサイズ範囲のコロイド状金ナノ粒子（他の実施形態では、これよりも小さなナノ粒子とこれよりも大きなナノ粒子の両方を本明細書で使用することが企図される）を表面に吸着させて、金外側シェル成長のための核生成部位として利用する（図１１Ｅ参照）。よく知られたクエン酸塩法を使用し、表面に吸着した金ナノ粒子を核生成部位として使用して、表面の金酸を還元し、それにより金ナノ粒子を成長させ、最終的にそれらを合体させて金層を得る。
【００７５】
[0096]バッテリ構成  −  ＬｉＣｏＯ２−シリカ−酸化グラフェン
内側球形コア（例えばこの特定の実施形態ではカソード−コア）に対応する内側シェルは負電荷を発現しているため、内側シェルは、グラフェン／酸化グラフェンシートが内側シェルに巻きついたときに、それらのシートを表面に引きつけることができ、それらのシートは、Ｊｏｏ，Ｊ．他、Ｐｏｒｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｆｏｒ  ｔａｒｇｅｔｅｄ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｏｆ  ｓｉＲＮＡ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｉｎｊｕｒｅｄ  ｂｒａｉｎ、Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｈｏｒｉｚ．１、４０７〜４１４（２０１６）に記載されているように、アノードの働きをする外側シェルを形成する。この文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。本明細書で使用する適当なアノード材料は、限定はされないが、炭素、銅炭素、塩化銅、硫化銅、酸化銅（ＩＩ）、グラフェン、酸化グラフェン単分子層、黒鉛、セレン化マンガン、カリウム黒鉛、熱分解黒鉛、ケイ素、酸化スズ、リチウム金属及び亜鉛を含む。
【００７６】
[0097]実施例６−外側シェル（極２）へのナノワイヤの取付け（図６）
キャパシタ構成  −  金−シリカ−金
本明細書に記載されているとおりに、チオール末端基を有するＤＮＡを使用して、外側シェル表面にＤＮＡを取り付ける。
【００７７】
[0098]バッテリ構成  −  ＬｉＣｏＯ２−シリカ−酸化グラフェン
特に酸化グラフェンについて言うと、Ｙｕｑｉ他、Ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｂａｓｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｍａｔｅｒ．Ｔｏｄａｙ、第１６巻、３６５〜３７３（２０１３）に記載されているように、酸化グラフェンは酸素含有基を豊富に有するため、アミド縮合反応を使用して、ＤＮＡを外側シェルに取り付ける。この文献は、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【００７８】
[0099]全ての構成に共通する事項
図６に示されているように、一本鎖オリゴヌクレオチドは、２つの配列Ｂ１及びＢ２からなる特定の配列を有する。配列Ａ１及びＢ１の長さは通常５〜２０塩基対であり、これらの塩基対は、金属コンタクトに取り付けられた相補配列（例えば図８のＢ１’参照）を介して一方の金属コンタクト（極２）にコアをアドレスするために使用されるオリゴヌクレオチド塩基配列である。しかしながら、特定の実施形態では、Ａ１及びＢ１配列の長さを、例えば２０ｂｐ〜数キロ塩基対など、はるかに長くすることができる。他の実施形態では、Ａ１及びＢ１の範囲を２０ｂｐ〜約２００ｂｐまでとすることができ、約２０ｂｐ〜約６０ｂｐまでの範囲が最も一般的である。もう一方の配列がＢ２であり、この配列を、相補鎖Ｂ２’でハイブリッド化することができ、ある種の実施形態では、このハイブリッド化が、ナノワイヤに安定性を追加するため、及び／又はナノワイヤを導電性にする目的に使用される方法に基づく電気伝導を可能にするために企図される。Ｂ２の長さは、２つの金属コンタクト（極１及び２。図９参照）の所望の分離距離に基づいて調整することができる。
【００７９】
[0100]本発明の複合ナノデバイス内における個々のナノ構成要素の内部構造及び間隔を促進するために、図６〜９（及び図１１Ｈ〜Ｊ）のＡ２とＢ２の両方の長さについて、本明細書で企図される例示的な長さを変化させ、互い違い（staggered）にすることができる。例えば、本明細書に記載されたそれぞれのナノ構成要素構造体（例えばナノバッテリ、ナノキャパシタ、ナノナノ太陽電池など）について、コア（例えばバッテリカソード）に取り付けられたＤＮＡナノワイヤの長さを互い違いにし、デバイスの全長に対して若しくは２つの金属コンタクト若しくは電極間の全長に対して非常に短くなるように選択することができ、或いは、ＤＮＡナノワイヤの長さを、デバイスの全長又は２つの金属コンタクト若しくは電極間の距離と同じか又はそれよりも長くすることができる。同じそれぞれのナノ構成要素については、外側シェル（例えばバッテリアノード）に取り付けられたＤＮＡナノワイヤの長さの長さを互い違いにし、デバイスの全長若しくは２つの金属コンタクト若しくは電極間の全長に対して非常に短くなるように選択することができ、或いは、ＤＮＡナノワイヤの長さを、デバイスの全長又は２つの金属コンタクト若しくは電極間の距離と同じか又はそれよりも長くすることができる。Ａ２及びＢ２の長さが等距離であり、デバイスの距離の約半分又は金属コンタクト若しくは電極間の距離の半分である場合、その特定のナノ構成要素は、デバイス又は金属コンタクトの中間にそれ自体を配置するように制限される。Ａ２の長さを、少なくとも１ヌクレオチドの長さから、デバイスの距離又は金属コンタクト若しくは電極の距離の半分であるオリゴヌクレオチドの長さまでの間となるように互い違いにし、さらに、対応するそれぞれのＢ２オリゴヌクレオチドを、距離が逆になるように（例えば、Ａ２が短いときにはＢ２が長くなるように、Ａ２が１ヌクレオチドであるときには、Ｂ２が、少なくともデバイスの全距離若しくは金属コンタクト又は電極間の全距離の長さとなるように）互い違いにすることによって、デバイス内又は金属コンタクト若しくは電極内で自己集合したナノ構成要素の相対位置は、均一な分布を促進するように制御される。
【００８０】
[0101]別の実施形態では、図６〜９（及び図１１Ｈ〜Ｊ）のＡ２及びＢ２の長さをともに、少なくとも、複合ナノデバイス全体の長さ又は金属コンタクト若しくは電極間の全距離とすることができる。この実施形態では、ナノ構成要素がデバイス内で自己集合するときに、それぞれのナノ構成要素が、複合ナノデバイス内の任意の位置に自由にランダムに納まる。
【００８１】
[0102]実施例７−外側シェルのコーティング／絶縁（図７）
例えば反対の電荷を有するものとすることができるポリマーを使用する、又はシリカなどの別の酸化物層を使用するなど、ポリマー絶縁層を使用して、外側シェルをさらにコーディングすることができる。このコーティングステップは、内側シェルに対して上で使用した手法と同様の手法を利用することができる。
【００８２】
[0103]実施例８−並列集積ナノ構成要素への自己集合（図８〜１０）
この特定の実施形態では、それぞれの粒子を外部回路にリンクするであろう２種類の金属コンタクトが存在する。一方の極性を有する第１の金属コンタクトには、配列Ａ１と相補的な特定の配列（配列Ａ１’）を有する複数のオリゴヌクレオチドが取り付けられている（図８及び図１１Ｈ）。一方、第１の金属コンタクトとは反対の極性を有する第２の金属コンタクトには、配列Ｂ１と相補的な特定の配列Ｂ１’に対応する、Ａ１’とは異なる配列を持つ複数のオリゴヌクレオチドが取り付けられている（図８及び図１１Ｈ参照）。このステップは、内側球形コアが、一方のコンタクト（例えばこの実施形態では第１の金属コンタクト）に接続され、外側シェルが、もう一方のコンタクト（例えばこの実施形態では反対の極性を有する第２の金属コンタクト）に接続されることを保証する。このことは、ナノ構成要素の２つの極が同じコンタクトに接続すること、したがって短絡を発生させることを防ぐ。
【００８３】
[0104]このステップでは、（例えば互い違いとされたＡ２及びＢ２  ＤＮＡナノワイヤ長又は完全なデバイス長のＡ２及びＢ２ナノワイヤの末端に）ＤＮＡタグを有するこのナノ構成要素（例えば本明細書に記載されたナノバッテリ又はナノキャパシタなどの本発明のナノデバイス）を、よく知られたハイブリッド化条件を使用して、それぞれのナノ構成要素タグと、金属コンタクトに取り付けられたその相補オリゴ（Ａ１’又はＢ１’）とのハイブリッド化を可能にする十分な長さの間、インキュベートする。その結果、複合ナノ構成要素又は複合ナノデバイスが自己集合する（図８及び９参照）。
【００８４】
[0105]最終的に、それぞれのナノ構成要素が、タグの極性に関して対応するそれぞれの金属コンタクトに取り付けられており（図９）、このステップによってそれぞれのナノワイヤは金属被覆されている。次いで、ナノキャパシタの実施形態では、溶液を、電気的に誘電性の溶液、ゲル又はポリマーに変更することができ、この溶液は、ケミストリに基づいて湿性又は乾性とすることができる。
【００８５】
[0106]本明細書において複合ナノバッテリが提供される実施形態については、電解液が利用される。
【００８６】
[0107]本明細書で企図される他の実施形態では、実施例１〜８として上に記載された（さらに金−シリカ−金キャパシタに関して図２２のパネルＡ〜Ｇに詳細に示された）この手順中のさまざまな時点で、ＤＮＡを金属被覆して導電性ナノワイヤを形成することができる。これらの相補的ハイブリッド化ステップを妨げないように、ある種の実施形態では、ＤＮＡ鎖の特定の認識から利益を得るために、（例えば図１１Ｈ又は図１１Ｉのパネルなどの）後のステップで金属被覆を完了することがより有利であることが企図される。しかしながら、これらのプロセスのうちのいずれかのプロセスが乾式処理又は真空処理を必要とする場合には、最初にＤＮＡを金属被覆し、固化することができ、そのようにすることは、このような乾式／真空プロセスの間、ＤＮＡを弾性的にするであろう。さらなる湿式ケミストリのため、後に、固化された構造体を溶液に加えることができる。
【００８７】
[0108]実施例９−複合ナノキャパシタデバイスのケミストリ
図２２Ａに示されているように、金ナノ粒子の表面に、チオール化されたＤＮＡを取り付ける。
【００８８】
[0109]図２２Ｂに示されているように、最初に、（３−メルカプトプロピル）トリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）を加水分解し、ＤＮＡに取り付けられた金ナノ粒子の溶液に加える。この溶液にＮＨ３を加え、その結果としてシリカ層を成長させる。
【００８９】
[0110]図２２Ｃに示されているように、シリカ表面はチオール基を提示する。溶液に金ナノ粒子を加える。金ナノ粒子は、チオール−金ケミストリによって表面シリカ表面に取り付けられる。
【００９０】
[0111]図２２Ｄに示されているように、よく知られたクエン酸塩法を使用することにより、表面テンプレートに取り付けられた金ナノ粒子が金成長を促進し、金ナノ粒子を合体させて、連続した金層を形成する。
【００９１】
[0112]図２２Ｅに示されているように、チオール官能基化されたＤＮＡを外側シェルに取り付ける。
【００９２】
[0113]図２２Ｆに示されているように、一本鎖ＤＮＡを、その相補鎖によってハイブリッド化する。
【００９３】
[0114]図２２Ｇに示されているように、配列の末端を使用して、それぞれの電極にＤＮＡをアドレスする。ＤＮＡは、対応するそれぞれの電極に取り付けられた鎖と選択的にハイブリッド化する。
【００９４】
[0115]実施例１０−例示的なサイズ範囲
図１２Ａ〜Ｅは、本発明のナノバッテリなどを含む本発明のナノデバイスの例示的なサイズ範囲の代表的ないくつかの例を示す。本発明の複合ナノバッテリ（並列集積ナノ構成要素−ＰＩＮＣ）と従来のバッテリのエネルギー容量の比を、本発明のナノバッテリのセパレータ層に対応する内側シェル直径に対して、適当な少数の点でプロットした（図１２Ａ〜Ｃに対応する上部の３つのプロット）。さらに、左の図では、エネルギー比を１に保ち、充電時間をプロットした。
【００９５】
[0116]図１２から気づくとおり、１０〜５０ｎｍの範囲のリチウムナノ粒子、リチウムを含むナノ粒子及びリチウムベースのナノ粒子は容易にアクセス可能である。５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲でシリカ層は容易に成長させることができ、グラフェン層は、５〜２０ｎｍのシリカ層の上で容易に成長又は堆積させることができ、この構成は、図１２の上部中央の構成に最もよく対応する。本明細書では、コアが小さいほど、また、周囲のシェル（例えば層）が薄いほど、全体の利益は大きくなることが企図される。
【００９６】
[0117]本発明のナノデバイスのある種の実施形態では、内側球形コアなどのそれぞれの材料に関して、及びそれぞれの層に関して、直径又は厚さサイズの範囲を、約１ｎｍ〜約９００ナノメートル、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約３ｎｍ〜約３００ｎｍ、約４ｎｍ〜約１００ｎｍとすることができる。
【００９７】
[0118]本明細書では、本発明のナノデバイス（例えば本発明のナノバッテリ）の特定の実施形態において、特に適当な動作範囲が、
第１の極（例えば本発明のナノバッテリ実施形態の電極など）を形成しているコアに関しては約５ｎｍ〜約５０ｎｍ（直径）、
（例えば本発明のナノバッテリ実施形態でイオン拡散を可能にするためなどの）内側シェル又は層に関しては約５ｎｍ〜約５０ｎｍ（厚さ）、
第２の極（例えば本発明のナノバッテリ実施形態の電極など）を形成している外側シェルに関しては約５ｎｍ〜約５０ｎｍ（厚さ）であることが企図される。この特定の実施形態では、ナノデバイス（ナノユニット）の全直径が、約１５〜約１５０ｎｍの範囲にある。したがって、本発明のナノデバイス（例えば本発明のナノバッテリ）の特定の実施形態では、コアの直径、又はセパレータ層（例えば内側層）及び外側層のそれぞれの層の厚さがそれぞれ、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９及び５０ｎｍからなる距離のグループから選択される。
【００９８】
[0119]他の実施形態では、ナノデバイス（ナノユニット）の全直径が、約１ｎｍ〜約９００ナノメートル、約２ｎｍ〜約５００ｎｍ、約３ｎｍ〜約３００ｎｍ、約４ｎｍ〜約２００ｎｍ、約５〜約１５０ｎｍ、約１０〜約１５０、約１５ｎｍ〜約１５０ｎｍ、約１５ｎｍ〜約１００ｎｍ、２０ｎｍ〜約７５ｎｍ、約２５ｎｍ〜約５０ｎｍからなるグループから選択された範囲にある。
【００９９】
[0120]本明細書では、他の実施形態において、粒子の全直径に関して、直径又は厚さサイズが、１〜約１０ミクロンなど、ミクロン範囲をとることができることが企図される。
【０１００】
[0121]実施例１１−コアから出ているナノワイヤとナノデバイスの外側シェルとの間の電気的短絡の防止
図１４に示された、この特定の実施形態では、コアに取り付けられたＤＮＡが、内側及び外側シェルを構成している反対の電荷を有する分子を排斥するため、このＤＮＡが、円筒状の隙間を生成し、コアから出ているナノワイヤと外側シェルとの間の短絡を防ぐ。
【０１０１】
[0122]本明細書では、別の実施形態において、図１５に示されているように、コア及び外側シェルとの電気的短絡の防止を可能にするために、以下のうちのいずれか１つ、又は以下のうちの２つの組合せ若しくは３つ全ての組合せが企図される。
【０１０２】
１）コアから出ているナノワイヤと外側シェルとの間の短絡を防ぐために、内側及び外側シェルの成長の前又は後に、コアに取り付けられＤＮＡを、絶縁ポリマーでコーティングすることができ、
２）外側シェルにナノワイヤを取り付けるときに、そのナノワイヤを絶縁材料でコーティングすることができ、
３）さらに、外側シェルを絶縁材料でコーティングすることができる。
【０１０３】
[0123]特定の実施形態では、図１６に示されているように、ナノ構成要素のコアに接続された１本又は複数本のＤＮＡナノワイヤを、一方の電極（右側の暗色の電極）に直接に接続すれることができ、同時に、同じナノ構成要素の外側シェルに取り付けられた１本又は複数本のＤＮＡナノワイヤを、「もう一方の」電極（左側の明色の電極）に接続することができる。ある種の実施形態では、それぞれのナノ構成要素が、ナノデバイス内又は２つの電極内の任意の位置で自由に自己集合し、取り付けられたＤＮＡナノワイヤの長さによってナノデバイス内の１つの位置だけに限定されないように、ナノ構成要素のそれぞれのコア及び外側シェルの（１本又は複数本の）ＤＮＡナノワイヤの長さが、十分に長くなるように選択される。言い換えると、特定のナノ構成要素がＤＮＡナノワイヤで上述のとおりに修飾されており、特定のナノデバイスの自己集合のために他のナノ構成要素と並列に結合されるときには、それぞれの特定のナノ構成要素を、図１６の左の電極のすぐ近く若しくは右の電極のすぐ近くに、又はナノデバイス間の任意の位置若しくはナノデバイス内の任意の位置に配置することができる。
【０１０４】
[0124]実施例１２−ナノデバイスとして集積されたナノ構成要素の複数のセットの自己集合
図１７に示された、この特定の実施形態では、ナノ構成要素の異なる２つのセット、すなわち第１のセット及び第２のセットが存在する。それぞれのセットは、コアに取り付けられた１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチド、及び外側シェルに取り付けられた１本又は複数本の一本鎖オリゴヌクレオチドを有する。第１のセットでは、コアに取り付けられた一本鎖オリゴヌクレオチドが、オリゴヌクレオチドを構成する特定の塩基配列Ａを有し、一方で、第１のセットの外側シェルに取り付けられた（１本又は複数本の）オリゴヌクレオチドが、配列Ａとは異なる配列Ｂを有する。ナノ構成要素の第２のセットでは、コアに取り付けられた１本又は複数本のオリゴヌクレオチドの配列が、Ａとは相補的な配列Ａ’を有し、一方で、第２のセットの外側シェルに取り付けられたオリゴヌクレオチドの配列が、配列Ｂと相補的なＢ’である。この実施形態では、チャンバの両側の電極が、一方の電極に取り付けられた、ＡオリゴヌクレオチドとＡ’オリゴヌクレオチドの混合物を有する一本鎖オリゴヌクレオチドを有し、一方で、もう一方の電極が、ＢとＢ’の混合物を有する、取り付けられた一本鎖オリゴヌクレオチドを有する（図１８参照）。
【０１０５】
[0125]図１８に示されているように、説明した一本鎖オリゴヌクレオチド配列を有する電極を境界とするチャンバ内で、第１及び第２のセットからのナノ構成要素（又はナノ粒子）のこれらのセットが混合されると、ナノ構成要素は自己集合して、格子状の構造体を形成し、この格子状構造体では、ＡとＡ’とのハイブリッド化によって生み出された二本鎖ＤＮＡのネットワークによってコアが互いに接続されており、ＢとＢ’とのハイブリッド化によって生み出された二本鎖ＤＮＡのネットワークによって外側シェルが接続されている。この実施形態では、このコアネットワークがさらに、ＡオリゴヌクレオチドとＡ’オリゴヌクレオチドの混合物を有する一方の電極に接続されており、一方で、外側シェルネットワークが、ＢオリゴヌクレオチドとＢ’オリゴヌクレオチドの混合物を有するもう一方の電極に接続されている。
【０１０６】
[0126]本明細書で使用されるとき、本発明のナノデバイスのコア及び／又は外側層を接続してネットワークにする文脈において、句「ナノデバイスのうちの実質的に全てのナノデバイス」は、そのネットワーク内で非常に高い百分率のコア又は外側層が接続されていることを指し、そのネットワーク内で小さな百分率のコア又は外側層は接続されていなくてもよいことが理解される。例えば、そのネットワーク内で０．００１〜１％のコア又は外側層は接続されていなくてもよく、これによって特定の複合ナノデバイスの全体機能は変化しない。他の実施形態では、そのネットワーク内で１％〜１０％のコア又は外側層は接続されていなくてもよく、これによって特定の複合ナノデバイスの全体機能は変化しない。
【０１０７】
[0127]実施例１３−導電性ナノワイヤの製作
図１９Ａに示されているように、導電性ナノ粒子が取り付けられたオリゴヌクレオチドを特定のＤＮＡ鎖上に集合させることにより、ナノワイヤを製作することができる。例えば、Ｈｏｎｇｆｅｉ他、Ｓｅｌｆ−Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＤＮＡ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ａｔ  Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２０１９  ９１（４）、３０４３〜３０４７、及びＲｕｓｓｅｌｌ他、Ｇｏｌｄ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｂａｓｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ＤＮＡ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｒｏｌｌｉｎｇ  ｃｉｒｃｌｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（２００６）、ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  第８巻、第２号、２０１４、１１４７〜頁に記載された方法を参照されたい。これらの文献はそれぞれ、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【０１０８】
[0128]図１９Ｂに示されているように、Ｂｒａｕｎ他、ＤＮＡ−ｔｅｍｐｌａｔｅｄ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｓｉｌｖｅｒ  ｗｉｒｅ、（１９９８）Ｎａｔｕｒｅ、１９；３９１（６６６９）：７７５〜８、Ｇｅｎｇ他、Ｒａｐｉｄ  ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌａｍｂｄａ  ＤＮＡ  ａｎｄ  ＤＮＡ  ｏｒｉｇａｍｉ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｐｄ  ｓｅｅｄｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ（２０１１）、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２１（３２）、１２１２６〜１２１３１頁、及びＩｊｉｒｏ他、ＤＮＡ−ｂａｓｅｄ  ｓｉｌｖｅｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｂｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ  ｐｌａｔｉｎｇ（２００６）、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  ａｎｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ、４４５：１、２０７／［４９７］〜２１１／［５０１］に記載されているインターカレーション導電性作用剤（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｎｇ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｇｅｎｔ）の使用により、ナノワイヤを製作することができる。これらの文献はそれぞれ、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【０１０９】
[0129]図１９Ｃに示されているように、例えばＫｏｎｄｏ他、Ａ  ｍｅｔａｌｌｏ−ＤＮＡ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｗｉｔｈ  ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ  ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｉｌｖｅｒ  ａｒｒａｙ（２０１７）、Ｎａｔｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、９（１０）、９５６〜９６０頁、Ｋｅｒｅｎ他、Ｓｅｑｕｅｎｃｅ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｏｎ  ｓｉｎｇｌｅ  ＤＮＡ  ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ（２００２）、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９７、７２、及びＢｅｒｔｉ他、ＤＮＡ−ｔｅｍｐｌａｔｅｄ  ｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｄ  ｓｉｌｖｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（２００５）、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２７、１１２１６〜１１２１７に記載されているＤＮＡ骨格鎖の官能基化／電荷ベースの修飾により、ナノワイヤを製作することができる。これらの文献はそれぞれ、あらゆる目的のためにその全体が参照によって本明細書に組み込まれている。
【０１１０】
[0130]実施例１４−本発明のナノキャパシタのシミュレートされた性能指標
ナノ構成要素自体の応答だけをシミュレートするために、ナノワイヤの長さを０にセットする。これは、ナノワイヤの長さは、（図１４に示されている）アセンブリ構成によって変化することになるためである。電荷はナノワイヤに沿ってコアに運ばれることになるため、ナノワイヤがナノ構成要素に入る点を＋Ｖにセットし、もう一方のナノワイヤが外側シェルに接続する点の電圧を０にセットする（図１４参照）。シミュレートした３つのそれぞれの幾何学的構成が図２０及び２１に示されている。図２０は、内側金球上の表面電荷を積分することによって計算された静電容量を示している。図２０から、ナノ構成要素の構成に基づくナノ構成要素のさまざまな周波数応答が存在することが分かる。このシミュレーションでは外径を一定に設定した。コア、内側シェル及び外側シェルの相対的な寸法を変更することにより、デバイスの周波数応答を操作することができる。
【０１１１】
[0131]図２１は、０．６３×Ｑｍａｘ／Ｖをとることによって計算された時間応答（ｔ＝１ｔ）、及びＱｍａｘ／Ｖをとることによって見つけられた全静電容量を示している。このシミュレーションの結果は、ナノ構成要素の構成によってナノキャパシタの時定数を操作することができることを示している。このシミュレーションでは外径を一定に設定した。コア、内側シェル及び外側シェルの相対的な寸法を変更することにより、ナノキャパシタの時間応答を操作することができる。
【図１】
2021524666.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2021524666.tif 000009
【図８】
2021524666.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2021524666.tif 000015
【図１４】
2021524666.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2021524666.tif 000019
【図１８】
2021524666.tif 000020
【図１９Ａ】
2021524666.tif 000021
【図１９Ｂ】
2021524666.tif 000022
【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2021524666.tif 000027
2021524666.tif 000028