DNA Moiré-gitre muliggør nye selvsamlende materialer

Gittermetamaterialer

En ny grænse inden for materialevidenskab er samlingen af mikroskopiske strukturer i gitre, komplekse strukturer med et regelmæssigt, gentagende mønster, ofte lavet af krydsede strimler eller linjer.

Disse strukturer ændrer ofte et materiales egenskaber fuldstændigt, for eksempel ved at gøre det meget stærkere, mere fleksibel, reflekterer lys forskelligtOsv

Disse gitre kan have forskellige grundformer, for eksempel firkanter, sekskantede bikageformede former, KagomeOsv

Kilde: Forskning Gate

En yderligere mulighed er at kombinere 2 lag gittermaterialer, hvilket skaber endnu mere avancerede egenskaber, der går langt ud over de enkelte lags potentiale. For eksempel diskuterede vi de potentielle superledende egenskaber af et snoet dobbeltlag lavet af et wolfram-selenmateriale.

En ny lignende type materiale er nu blevet opfundet af forskere ved University of Stuttgart, Arizona State University og Max Planck Institutet.

De skabte en selvbyggende struktur ved hjælp af DNA-molekyler, der kunne revolutionere, hvordan vi kontrollerer lys, lyd og elektroner. De offentliggjorde deres resultater i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology.¹, under titlen "DNA moiré supergitter".

Moiré-supergitter

Moiré-supergittere er kunstige materialer skabt ved at stable todimensionelle (2D) materialer med en lille vridningsvinkel eller gittermismatch.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Denne uoverensstemmelse skaber et yderligere "supermønster", også kaldet et moiré-mønster, der er forskelligt fra det elementære mønster i de første 2 gitre. Lysets eller elektronernes interaktion med moiré-mønsteret giver materialet nye egenskaber.

Hidtil er moiré-mønstre inden for materialevidenskab kun blevet konstrueret på to radikalt forskellige skalaer: enten på atomar skala, som for eksempel med grafenlag (en hundrede milliontedel af en centimeter eller 2 nanometer), eller på mikroskopisk skala (en tusindedel af en meter).

Kilde: Natur Nanoteknologi

Disse produkter er generelt meget komplekse at producere, hvilket kræver omhyggelige fremstillingstrin, såsom overførsel, stabling, vridning og justering af undergitter.

Der var dog ingen moiré-supergitre på en mellemliggende skala, talt i nanometer. Dette var indtil disse forskere brugte DNA til at skabe et.

DNA-supergitter

DNA er en helt særlig type lille molekyle, da det har en naturlig tendens til at selvorganisere sig i komplekse mønstre på nanoskalaen. En sådan struktur er et DNA-origamibundt, der består af sammenkoblede DNA-helixer, som dannede en af de byggesten, som forskerne brugte.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Den anden byggesten var 2D DNA-fliseundergittere, bestående af enkeltstrengede fliser (SST'er), kvadrater, hexagonale bikageformer og kagomeformer. Transmissionselektronmikroskoper (TEM) blev brugt til at kontrollere gitterstrukturernes regelmæssighed og kvalitet.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Forskerne brugte DNA-origami-bundtet som et "frø", omkring hvilket et meget større gitter naturligt kunne selvorganisere sig. Forskellige frø skaber forskellige typer DNA-gitter, hvilket giver stor kontrol over den endelige form.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Når disse gitre produceres, blandes de mange sammen og skaber et dobbeltlagsgitter bestående af DNA-molekyler. Forskellige produktionsbetingelser, med variationer i frøene og temperaturen, tillader en begrænset kontrol af andelen af ​​dobbeltlags- vs. monolagsgitre, der produceres.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Analyse af DNA-dobbeltlag og -trilag

Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) fortsatte forskerne med at analysere disse nanoskopiske strukturer med dobbeltlag.

Begge monolag måler ~39.0 nm i højden og omkring en mikrometer i bredden.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Når de snoede dobbeltlag brugte identiske undergitre (kvadratisk-kvadratisk, kagome-kagome og honeycomb-honeycomb), resulterede det i en næsten fuldstændig (men ikke total) overlapning af de to monolag.

Disse var de kombinationer, der gav de mest interessante moiré-mønstre for dobbeltlag, sammenlignet med de blandede mønstre.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Forskerne formåede endda at skabe trelagsmønstre med endnu mere komplekse moiré-mønstre, som også er selvsamlende.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Det betyder dog ikke, at ingen blandede lag ikke viste interessante mønstre, for eksempel med kvadrat-kagom-kvadratisk trelag. Det er også sandsynligt, at der kan skabes flere mønstre i fremtiden med forskellige frø og DNA-strukturer, da dette kun er det første nogensinde skabte nanoskopiske moiré-mønster.

Kilde: Natur Nanoteknologi

Der kan udvikles mere kontrol over udviklingen af disse mønstre, og forskerne overvejer allerede løsninger. For eksempel kan origami-frøet placeres præcist på substrater ved hjælp af nanofabrikationsmetoder. På denne måde kan det samles på foruddefinerede steder på chippen.

Applikationer

Samlet set kan denne fremstillingsteknologi med selvsamlende DNA-gitre og en ny type materiale finde anvendelse inden for ethvert felt, der kræver præcis fremstilling på nanoskala.

Dette skyldes i høj grad, at de giver en næsten perfekt blanding af høj rumlig opløsning, præcis adresserbarhed og programmerbar symmetri.

Den første anvendelse af en sådan struktur ville være at bruge den som et stillads på nanoskopisk skala. For eksempel kunne den have bundet fluorescerende molekyler, metalliske nanopartikler eller halvledere i tilpassede 2D- og 3D-arkitekturer.

En anden mulighed kunne være at lave flerlagsgitrene om til stive rammer gennem kemiske modifikationer.

De kunne derefter genbruges som fononiske krystaller eller mekaniske metamaterialer med justerbare vibrationsresponser, hvor sådanne systemer har mange potentielle anvendelser inden for sensorer og fotonisk databehandling.

Endelig kunne sådanne gitre have egenskaber med spin-selektiv elektrontransport, da DNA er kendt for at filtrere elektroner i henhold til deres spin (en kvantekarakteristik).

"Det handler ikke om at efterligne kvantematerialer. Det handler om at udvide designrummet og gøre det muligt at bygge nye typer struktureret stof nedefra og op, med geometrisk kontrol indlejret direkte i molekylerne."

Pr. Laura Na Liu - Director af 2. Fysisk Institut af Stuttgart Universitet

Investering i DNA og nanoteknologi

Twist Biosciences

Virksomheden har specialiseret sig i DNA-syntese, udnyttelse af miniaturiseringsmetoder fra halvlederindustrien, hvilket sparer tid og penge for forskere.

Med sin avancerede DNA- og RNA-synteseevne kan Twist hurtigt blive en stor aptamer-producent, hvis markedet for anti-koagulationsprodukter vokser.

Som en "neutral" producent fokuseret på at levere de bedste nukleinsyresekvenser til den bedste pris, kan den være en valgfri produktionspartner for enhver farmaceutisk virksomhed, der ønsker at kommercialisere nyttige nukleinsyrer, såsom datalagring eller anti-koagulationsaptamerer.

I januar 2023 virksomheden begyndte at sende produkter fra sin nyligt lancerede anden produktionsinstallationDen nye fabrik skal fordoble Twists produktionskapacitet.

Der arbejdes også på at skabe DNA-baseret datalagring som kunne bruges til at beskytte data, uafhængigt af elektroniske systemer. Så måske kunne avancerede datalagringsteknologier bruge DNA i sig selv.

Denne miniaturisering giver os mulighed for at reducere reaktionsvolumenet med en faktor på 1,000,000, mens vi øger gennemløbet med en faktor på 1,000, hvilket muliggør syntesen af ​​9,600 gener på en enkelt siliciumchip i fuld skala.

Kilde: Twist Biosciences

Da virksomheden er ekspert i at producere DNA-produkter til industriel brug, kan den drage stor fordel af, at DNA bliver et centralt værktøj i opbygningen af nanostrukturer til halvleder-, kemi- og computerindustrien, hvad enten det drejer sig om on-demand DNA-kemikalier, DNA-baseret datalagring, DNA-gitter osv.

Seneste Twist Biosciences (TWST) aktienyheder og udvikling

Undersøgelse refereret

^{1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et al. DNA moiré supergitter. NatureNanoteknologilogi. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}