DNA Moiré-gitre muliggør nye selvorganiserende materialer

Gittermetamaterialer

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

Disse strukturer ændrer ofte materialets egenskaber fuldstændigt, for eksempel ved at gøre det meget stærkere, mere fleksibelt, reflekterer lys på en anden måde, osv.

Disse gitter kan have forskellige grundformer, for eksempel firkanter, sekskantet bikube, kagome, osv.

Kilde: Research Gate

En yderligere mulighed er at kombinere 2 lag af gittermaterialer, hvilket skaber endnu mere avancerede egenskaber, der langt overstiger potentialet i de enkelte lag. For eksempel diskuterede vi de potentielle superledende egenskaber af et snoet bilag lavet af et tungsten-selenium materiale.

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

De skabte en selvbyggende struktur ved hjælp af DNA-molekyler, som kan revolutionere, hvordan vi kontrollerer lys, lyd og elektroner. De offentliggjorde deres resultater i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology¹, under titlen “DNA moiré supergitter”.

Moiré-supergitter

Moiré-supergitter er kunstige materialer fremstillet ved at stable to-dimensionelle (2D) materialer med en lille vridningsvinkel eller gittermismatch.

Kilde: Nature Nanotechnology

Denne mismatch skaber et ekstra “supermønster”, også kaldet et moiré-mønster, som er anderledes end det elementære mønster i de to oprindelige gitter. Interaktionerne mellem lys eller elektroner og moiré-mønsteret giver dette materiale nye egenskaber.

Indtil nu er moiré-mønstre i materialvidenskab kun blevet konstrueret på to radikalt forskellige skalaer: enten på atomisk skala, som for eksempel med grafenlag (en hundredemilliontedel af en centimeter, eller 0,1 nanometer), eller på mikroskopisk skala (en tusindedel af en meter).

Kilde: Nature Nanotechnology

Disse produkter er generelt meget komplekse at producere, idet de kræver omhyggelige fremstillingstrin, såsom overførsel, lagdeling, vridning og justering af undergittere.

Der har dog ikke været nogen moiré-supergitter på en mellemliggende skala, målt i nanometer. Det var indtil disse forskere brugte DNA til at skabe et.

DNA-supergitter

DNA er en meget speciel type lille molekyle, da det har en naturlig tendens til at selvorganisere sig i komplekse mønstre på nanoskopisk skala. En sådan struktur er et DNA-origami-bundle, bestående af sammenkoblede DNA-helixer, som udgjorde en af de byggesten, forskerne benyttede.

Kilde: Nature Nanotechnology

Den anden byggesten var de 2D DNA-flise-undergittere, sammensat af enkeltstrengede fliser (SST’er) i former af firkanter, sekskantet bikube og kagome. Transmissionselektronmikroskoper (TEM) blev brugt til at kontrollere regelmæssigheden og kvaliteten af gitterstrukturerne.

Kilde: Nature Nanotechnology

Forskerne brugte DNA-origami-bundlet som en “frø”, omkring hvilken et meget større gitter naturligt kunne selvorganisere. Forskellige frø skaber forskellige typer af DNA-gitter, hvilket giver stor kontrol over den endelige form.

Kilde: Nature Nanotechnology

Ved produktion blandes mange af disse gitter sammen og danner et bilagsgitter lavet af DNA-molekyler. Forskellige produktionsbetingelser, med variationer i frøene og temperatur, giver begrænset kontrol over andelen af bilagsgitter versus monolagsgitter, der produceres.

Kilde: Nature Nanotechnology

Analyse af DNA-bilag og trilag

Ved hjælp af scanningelektronmikroskopi (SEM) analyserede forskerne disse bilagsgitter på nanoskopisk skala.

Begge monolag måler ca. 39,0 nm i højde og omkring en mikrometer i bredde.

Kilde: Nature Nanotechnology

Når de snoede bilag brugte identiske undergittere (firkant–firkant, kagome–kagome og bikube–bikube), resulterede det i en næsten fuldstændig (men ikke total) overlapning af de to monolag.

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

Kilde: Nature Nanotechnology

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

Kilde: Nature Nanotechnology

Det betyder ikke, at ingen blandede lag viste interessante mønstre, for eksempel firkant‑kagome‑firkant trilaget. Det er også sandsynligt, at flere mønstre kan skabes i fremtiden med forskellige frø og DNA‑strukturer, da dette kun er det første nogensinde skabte nanoskopiske moiré‑mønster.

Kilde: Nature Nanotechnology

Mere kontrol over udviklingen af disse mønstre kan opnås, og løsninger overvejes allerede af forskerne. For eksempel kan origami‑frøet placeres præcist på substrater ved brug af nanofabrikationsmetoder. På den måde kan det samles på foruddefinerede steder på chippen.

Anvendelser

Generelt kan denne fremstillingsteknologi for selvorganiserende DNA‑gitter og en ny type materiale finde anvendelse i ethvert felt, der kræver præcis fremstilling på nanoskopisk skala.

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

Den første anvendelse af en sådan struktur ville være at bruge den som en ramme på nanoskopisk skala. For eksempel kunne man fastgøre fluorescerende molekyler, metalliske nanopartikler eller halvledere i tilpassede 2D‑ og 3D‑arkitekturer.

En anden mulighed kunne være at gøre de flerlagede gitter til stive rammer gennem kemiske modifikationer.

Derefter kunne de genanvendes som fonon‑krystaller eller mekaniske metamaterialer med justerbare vibrationsrespons, hvor sådanne systemer har mange potentielle anvendelser i sensorer og fotonisk beregning.

Endelig kunne sådanne gitter have egenskaber for spin‑selektiv elektrontransport, da DNA er kendt for at filtrere elektroner efter deres spin (en kvantemekanisk egenskab).

“Dette handler ikke om at efterligne kvantematerialer. Det handler om at udvide designrummet og gøre det muligt at bygge nye typer struktureret stof fra bunden, med geometrisk kontrol indlejret direkte i molekylerne.”

Prof. Laura Na Liu – Direktør for det 2. Fysikinstitut ved Stuttgart Universitet

Investering i DNA & Nanotek

Twist Biosciences

Virksomheden specialiserer sig i DNA‑syntese, udnytter miniaturiseringsmetoder fra halvlederindustrien, hvilket sparer tid og penge for forskere.

Med sin avancerede DNA‑ og RNA‑syntesekapacitet kunne Twist hurtigt blive en stor aptamerproducent, hvis markedet for antikoagulerende produkter vokser.

Som en “neutral” producent fokuseret på at levere de bedste nukleinsyresekvenser til den bedste pris, kunne den blive en foretrukken fremstillingspartner for enhver farmaceutisk virksomhed, der ønsker at kommercialisere nyttige nukleinsyrer, såsom datalagring eller antikoagulerende aptamere.

I januar 2023 begyndte virksomheden at sende produkter fra sin nyligt lancerede anden produktionsinstallation. Den nye fabrik bør fordoble Twists produktionskapacitet.

Den arbejder også på at skabe DNA‑baseret datalagring, som kan bruges til at sikre data, uafhængigt af elektroniske systemer. Så måske kan avancerede datalagringsteknologier bruge DNA selv.

Denne miniaturisering gør det muligt at reducere reaktionsvolumener med en faktor på 1.000.000, mens gennemløbet øges med en faktor på 1.000, hvilket muliggør syntese 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 opbygning af nanostrukturer for halvleder-, kemisk- og computerindustrien, hvad enten det er DNA‑kemikalier på efterspørgsel, DNA‑baseret datalagring, DNA‑gitter osv.

Seneste Twist Biosciences (TWST) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret

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