DNA-Moiré-Gitter ermöglichen neue selbstassemblierende Materialien

Gitter-Metamaterialien

Eine neue Grenze in den Materialwissenschaften ist die Zusammenstellung mikroskopischer Strukturen in Gittern, komplexe Strukturen mit einem regelmäßigen, wiederholenden Muster, oft aus gekreuzten Streifen oder Linien gefertigt.

Diese Strukturen verändern oft vollständig die Eigenschaften eines Materials, zum Beispiel machen sie es viel stärker, flexibler, Licht anders reflektierend, usw.

Diese Gitter können verschiedene Grundformen haben, zum Beispiel Quadrate, hexagonale Waben, Kagome, usw.

Quelle: Research Gate

Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, zwei Schichten von Gittermaterialien zu kombinieren, wodurch noch fortschrittlichere Eigenschaften entstehen, die das Potenzial der einzelnen Schichten weit übersteigen. Zum Beispiel haben wir die potenziellen supraleitenden Eigenschaften eines verdrehten Bilayers aus einem Wolfram‑Selen‑Material diskutiert.

Eine neue, ähnliche Materialart wurde nun von Forschern der Universität Stuttgart, der Arizona State University und des Max‑Planck‑Instituts erfunden.

Sie entwickelten eine selbstaufbauende Struktur aus DNA‑Molekülen, die die Art und Weise, wie wir Licht, Schall und Elektronen steuern, revolutionieren könnte. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology¹ unter dem Titel „DNA-Moiré-Supergitter“.

Moiré-Supergitter

Moiré‑Supergitter sind künstliche Materialien, die durch das Stapeln zweidimensionaler (2D) Materialien mit einem kleinen Verdrehwinkel oder Gitterfehlanpassung entstehen.

Quelle: Nature Nanotechnology

Diese Fehlanpassung erzeugt ein zusätzliches „Supermuster“, auch Moiré‑Muster genannt, das sich vom elementaren Muster der beiden Ausgangsgitter unterscheidet. Die Wechselwirkungen von Licht oder Elektronen mit dem Moiré‑Muster verleihen diesem Material neue Eigenschaften.

Bisher wurden Moiré‑Muster in der Materialwissenschaft nur auf zwei grundlegend unterschiedlichen Skalen konstruiert: entweder auf atomarer Ebene, zum Beispiel mit Graphen‑Schichten (ein hundertmillionstel Zentimeter, also 0,1 Nanometer), oder auf mikroskopischer Ebene (ein tausendstel Meter).

Quelle: Nature Nanotechnology

Diese Produkte sind im Allgemeinen sehr komplex herzustellen und erfordern gründliche Fertigungsschritte, wie das Transferieren, Stapeln, Verdrehen und Ausrichten von Sublayern.

Allerdings gab es keine Moiré‑Supergitter in einer Zwischenskala, gemessen in Nanometern. Das änderte sich, als diese Forscher DNA nutzten, um eines zu erzeugen.

DNA-Supergitter

DNA ist ein ganz besonderer Typ von kleinen Molekülen, da es die natürliche Tendenz hat, sich auf der Nanoskala zu komplexen Mustern selbst zu organisieren. Eine solche Struktur ist ein DNA‑Origami‑Bündel, bestehend aus miteinander verbundenen DNA‑Helices, das eines der von den Forschern verwendeten Bausteine bildete.

Quelle: Nature Nanotechnology

Der zweite Baustein waren die 2D‑DNA‑Kachel‑Sublayer, bestehend aus einzelsträngigen Kacheln (SSTs) in Quadrat-, hexagonalen Waben- und Kagome‑Formen. Transmissionselektronenmikroskope (TEM) wurden verwendet, um die Regelmäßigkeit und Qualität der Gitterstrukturen zu prüfen.

Quelle: Nature Nanotechnology

Die Forscher nutzten das DNA‑Origami‑Bündel als „Samen“, um den herum ein viel größeres Gitter sich natürlich selbst organisieren konnte. Unterschiedliche Samen erzeugen unterschiedliche Arten von DNA‑Gittern, was eine große Kontrolle über die endgültige Form ermöglicht.

Quelle: Nature Nanotechnology

Bei der Herstellung vermischten sich viele dieser Gitter, wodurch ein Bilayer‑Gitter aus DNA‑Molekülen entstand. Unterschiedliche Produktionsbedingungen, mit Variationen der Samen und Temperatur, ermöglichen eine begrenzte Kontrolle über den Anteil von Bilayer‑ gegenüber Monolayer‑Gittern.

Quelle: Nature Nanotechnology

Analyse von DNA-Bilayern und Trilayern

Mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) analysierten die Forscher diese bilayer‑nanoskalierten Strukturen.

Beide Monolayer messen etwa 39,0 nm in der Höhe und etwa einen Mikrometer in der Breite.

Quelle: Nature Nanotechnology

Wenn die verdrehten Bilayer identische Sublayer verwendeten (Quadrat‑Quadrat, Kagome‑Kagome und Wabe‑Wabe), führte dies zu einer nahezu vollständigen (aber nicht totalen) Überlappung der beiden Monolayer.

Dies waren die Kombinationen, die die interessantesten Moiré‑Muster für Bilayer erzeugten, im Vergleich zu den gemischten Mustern.

Quelle: Nature Nanotechnology

Die Forscher schafften es sogar, Trilayer‑Muster zu erzeugen, mit noch komplexeren Moiré‑Mustern, die ebenfalls selbstassemblierend sind.

Quelle: Nature Nanotechnology

Das bedeutet nicht, dass gemischte Schichten keine interessanten Muster zeigten, zum Beispiel das Quadrat‑Kagome‑Quadrat‑Trilayer. Es ist auch wahrscheinlich, dass in Zukunft mit unterschiedlichen Samen und DNA‑Strukturen weitere Muster erzeugt werden können, da dies erst das erste jemals erstellte nanoskale Moiré‑Muster ist.

Quelle: Nature Nanotechnology

Eine noch größere Kontrolle über die Entwicklung dieser Muster kann weiterentwickelt werden, und Lösungen werden bereits von den Forschern in Betracht gezogen. Zum Beispiel kann der Origami‑Samen präzise auf Substrate platziert werden, mittels Nanofabrikationsmethoden. Auf diese Weise könnte er an vordefinierten Stellen auf dem Chip zusammengebaut werden.

Anwendungen

Insgesamt könnte diese Fertigungstechnologie von selbstassemblierenden DNA‑Gittern und einer neuen Materialart in jedem Bereich Anwendung finden, der eine präzise Herstellung auf Nanoskala erfordert.

Dies liegt zum großen Teil daran, dass sie eine nahezu perfekte Kombination aus hoher räumlicher Auflösung, präziser Adressierbarkeit und programmierbarer Symmetrie bieten.

Die erste Anwendung einer solchen Struktur wäre die Nutzung als Gerüst auf nanoskaler Ebene. Zum Beispiel könnten daran fluoreszierende Moleküle, metallische Nanopartikel oder Halbleiter in maßgeschneiderten 2D‑ und 3D‑Architekturen befestigt werden.

Eine weitere Möglichkeit wäre, die mehrschichtigen Gitter durch chemische Modifikationen in starre Gerüste zu verwandeln.

Sie könnten dann als phononische Kristalle oder mechanische Metamaterialien mit einstellbaren Schwingungsantworten umfunktioniert werden, wobei solche Systeme zahlreiche potenzielle Anwendungen in Sensoren und photonischer Berechnung haben.

Schließlich könnten solche Gitter Eigenschaften des spinselektiven Elektronentransports besitzen, da DNA dafür bekannt ist, Elektronen nach ihrem Spin (ein quantenmechanisches Merkmal) zu filtern.

“Es geht nicht darum, Quantenmaterialien zu imitieren. Es geht darum, den Gestaltungsraum zu erweitern und es zu ermöglichen, neue Arten von strukturiertem Material von Grund auf zu bauen, mit geometrischer Kontrolle, die direkt in die Moleküle eingebettet ist.”
Prof. Laura Na Liu – Direktor des 2. Physikinstituts der Universität Stuttgart

Investitionen in DNA & Nanotechnologie

Twist Biosciences

Das Unternehmen spezialisiert sich auf DNA‑Synthese, unter Nutzung von Miniaturisierungsmethoden aus der Halbleiterindustrie, wodurch Zeit und Geld für Forscher gespart werden.

Mit seiner fortschrittlichen DNA‑ und RNA‑Synthesefähigkeit könnte Twist schnell zu einem bedeutenden Aptamer‑Hersteller werden, falls der Markt für Blutgerinnungs‑präventive Produkte wächst.

Als „neutraler“ Produzent, der darauf fokussiert ist, die besten Nukleinsäuresequenzen zum besten Preis anzubieten, könnte es ein bevorzugter Fertigungspartner für jedes Pharmaunternehmen sein, das nützliche Nukleinsäuren kommerzialisieren möchte, wie Datenspeicherung oder blutgerinnungshemmende Aptamere.

Im Januar 2023 begann das Unternehmen, Produkte von seiner kürzlich eröffneten zweiten Fertigungsanlage zu versenden. Die neue Fabrik sollte die Produktionskapazitäten von Twist verdoppeln.

Es arbeitet zudem an der Schaffung von DNA‑basiertem Datenspeicher, der zur Sicherung von Daten unabhängig von elektronischen Systemen verwendet werden könnte. Vielleicht könnten fortschrittliche Datenspeichertechnologien also DNA selbst nutzen.

Diese Miniaturisierung ermöglicht es uns, das Reaktionsvolumen um den Faktor 1.000.000 zu reduzieren und gleichzeitig den Durchsatz um den Faktor 1.000 zu erhöhen, wodurch die Synthese von 9.600 Genen auf einem einzigen Siliziumchip in voller Größe ermöglicht wird.

Quelle: Twist Biosciences

Da das Unternehmen Experte in der Herstellung von DNA‑Produkten für den industriellen Einsatz ist, könnte es stark davon profitieren, dass DNA zu einem Schlüsselwerkzeug beim Aufbau von Nanostrukturen für die Halbleiter-, Chemie‑ und Computerindustrie wird, sei es DNA‑Chemikalien auf Abruf, DNA‑basierter Datenspeicher, DNA‑Gitter usw.

Neueste Twist Biosciences (TWST) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie Referenziert

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