Τα DNA Moiré Πλέγματα Επιτρέπουν Νέα Αυτοσυναρμολογούμενα Υλικά

Μεταϋλικά Πλέγματος

Μια νέα πρόκληση στις επιστήμες των υλικών είναι η συναρμολόγηση μικροσκοπικών δομών σε πλέγματα, πολύπλοκες δομές με τακτικό, επαναλαμβανόμενο μοτίβο, συχνά κατασκευασμένες από διασταυρούμενες λωρίδες ή γραμμές.

Αυτές οι δομές συχνά αλλάζουν εντελώς τις ιδιότητες ενός υλικού, για παράδειγμα, το κάνουν πολύ πιο ανθεκτικό, πιο ευέλικτο, να αντανακλά το φως διαφορετικά, κ.λπ.

Αυτά τα πλέγματα μπορούν να έχουν διαφορετικά βασικά σχήματα, για παράδειγμα, τετράγωνα, εξαγωνικό κυψέλης μέλι, kagome, κ.α.

Πηγή: Research Gate

Μια επιπλέον δυνατότητα είναι ο συνδυασμός 2 επιπέδων υλικών πλέγματος, δημιουργώντας ακόμη πιο προχωρημένες ιδιότητες που ξεπερνούν κατά πολύ τις δυνατότητες των μεμονωμένων επιπέδων. Για παράδειγμα, συζητήσαμε τις πιθανές υπεραγωγικές ιδιότητες ενός στριμωγμένου διπλού επιπέδου από υλικό βαρύρουθίου-σεληνίου.

Ένας νέος παρόμοιος τύπος υλικού έχει τώρα εφευρεθεί από ερευνητές του Πανεπιστημίου Στουτγάρδη, του Πανεπιστημίου Αριζόνα Στάτης και του Ινστιτούτου Max Planck.

Δημιούργησαν μια αυτοσυναρμολογούμενη δομή χρησιμοποιώντας μόρια DNA που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον τρόπο που ελέγχουμε το φως, τον ήχο και τα ηλεκτρόνια. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο αξιόλογο επιστημονικό περιοδικό Nature Nanotechnology¹, με τίτλο “DNA moiré superlattices”.

Moiré Υπερπλέγματα

Τα Moiré υπερπλέγματα είναι τεχνητά υλικά που δημιουργούνται με τη στοίβαξη δισδιάστατων (2D) υλικών με μικρή γωνία στρίψιμου ή διαφορά πλέγματος.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Αυτή η διαφορά δημιουργεί ένα επιπλέον «υπέρ-μοτίβο», επίσης γνωστό ως μοτίβο moiré, διαφορετικό από το στοιχειώδες μοτίβο των αρχικών 2 πλεγμάτων. Οι αλληλεπιδράσεις του φωτός ή των ηλεκτρονίων με το μοτίβο moiré δίνουν στο υλικό νέες ιδιότητες.

Μέχρι τώρα, τα μοτίβα moiré στην επιστήμη των υλικών είχαν κατασκευαστεί μόνο σε 2 εντελώς διαφορετικές κλίμακες: είτε στην ατομική κλίμακα, όπως για παράδειγμα με τα στρώματα γραφενίου (ένα εκατομμυριοστό του εκατοστού, ή 0,1 νανόμετρο), είτε στη μικροσκοπική κλίμακα (ένα χιλιοστό του μέτρου).

Πηγή: Nature Nanotechnology

Αυτά τα προϊόντα είναι γενικά πολύπλοκα στην παραγωγή, απαιτώντας προσεκτικά βήματα κατασκευής, όπως η μεταφορά, η στοίβαξη, το στρίψιμο και η ευθυγράμμιση των υποπλεγμάτων.

Ωστόσο, δεν υπήρχαν Moiré υπερπλέγματα σε ενδιάμεση κλίμακα, μετρημένη σε νανόμετρα. Αυτό συνέβη μέχρι που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν DNA για να δημιουργήσουν ένα.

DNA Υπερπλέγματα

Το DNA είναι ένας πολύ ιδιαίτερος τύπος μικρού μορίου, καθώς έχει φυσική τάση να αυτοοργανώνεται σε πολύπλοκα μοτίβα σε νανοκλίμακα. Μία τέτοια δομή είναι το DNA origami bundle, που αποτελείται από διασυνδεδεμένους DNA έλικες, και αποτέλεσε ένα από τα δομικά στοιχεία που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Το δεύτερο δομικό στοιχείο ήταν τα 2D DNA πλακίδια υποπλεγμάτων, που αποτελούνταν από μονοκλωνικά πλακίδια (SSTs) σε σχήματα τετραγώνων, εξαγωνικής κυψέλης μέλι και kagome. Χρησιμοποιήθηκαν μικροσκόπια μετάδοσης ηλεκτρονίων (TEM) για να ελεγχθεί η κανονικότητα και η ποιότητα των δομών του πλέγματος.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το DNA origami bundle ως «σπόρο», γύρω από τον οποίο ένα πολύ μεγαλύτερο πλέγμα μπορούσε φυσικά να αυτοσυναρμολογηθεί. Διαφορετικοί σπόροι δημιουργούν διαφορετικού τύπου DNA πλέγμα, επιτρέποντας μεγάλο έλεγχο του τελικού σχήματος.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Κατά την παραγωγή, πολλά από αυτά τα πλέγματα αναμείχθηκαν, δημιουργώντας ένα διπλό πλέγμα από μόρια DNA. Διαφορετικές συνθήκες παραγωγής, με παραλλαγές στους σπόρους και τη θερμοκρασία, επιτρέπουν περιορισμένο έλεγχο του ποσοστού των διπλών έναντι μονών πλεγμάτων που παράγονται.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Ανάλυση DNA Διπλών και Τριπλών Στρωμάτων

Χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο σάρωσης ηλεκτρονίων (SEM), οι ερευνητές προχώρησαν στην ανάλυση αυτών των νανοσκοπικών δομών διπλού στρώματος.

Και τα μονά στρώματα έχουν ύψος περίπου ~39,0 nm και πλάτος περίπου ενός μικρομέτρου.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Όταν τα στριμωγμένα διπλά στρώματα χρησιμοποίησαν ταυτόσημα υποπλέγματα (τετράγωνο–τετράγωνο, kagome–kagome, και κυψέλη μέλι–κυψέλη μέλι), προέκυψε σχεδόν πλήρης (αλλά όχι απόλυτη) επικάλυψη των δύο μονών στρωμάτων.

Αυτοί ήταν οι συνδυασμοί που παρήγαγαν τα πιο ενδιαφέροντα μοτίβα moiré για τα διπλά στρώματα, σε σύγκριση με τα μικτά μοτίβα.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Οι ερευνητές κατάφεραν ακόμη να δημιουργήσουν μοτίβα τριπλού στρώματος, με ακόμη πιο πολύπλοκα μοτίβα moiré, τα οποία επίσης αυτοσυναρμολογούνται.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Αυτό δεν σημαίνει ότι κανένα μικτό στρώμα δεν παρουσίαζε ενδιαφέροντα μοτίβα· για παράδειγμα, το τριπλό στρώμα τετράγωνο‑kagome‑τετράγωνο. Είναι επίσης πιθανό ότι στο μέλλον θα δημιουργηθούν περισσότερα μοτίβα με διαφορετικούς σπόρους και δομές DNA, καθώς αυτό είναι το πρώτο ποτέ δημιουργημένο νανοσκοπικό μοτίβο moiré.

Πηγή: Nature Nanotechnology

Περισσότερος έλεγχος στην ανάπτυξη αυτών των μοτίβων μπορεί να επιτευχθεί, και οι ερευνητές ήδη εξετάζουν λύσεις. Για παράδειγμα, ο σπόρος origami μπορεί να τοποθετηθεί ακριβώς σε υποστρώματα, χρησιμοποιώντας μεθόδους νανοκατασκευής. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσε να συναρμολογηθεί σε προκαθορισμένες θέσεις στο τσιπ.

Εφαρμογές

Συνολικά, αυτή η τεχνολογία κατασκευής αυτοσυναρμολογούμενων DNA πλεγμάτων και ενός νέου τύπου υλικού θα μπορούσε να βρει εφαρμογή σε οποιονδήποτε τομέα που απαιτεί ακριβή κατασκευή σε νανοκλίμακα.

Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο ότι παρέχουν έναν σχεδόν τέλειο συνδυασμό υψηλής χωρικής ανάλυσης, ακριβούς προσδιορισιμότητας και προγραμματιζόμενης συμμετρίας.

Η πρώτη εφαρμογή μιας τέτοιας δομής θα ήταν η χρήση της ως σκελετός σε νανοσκοπική κλίμακα. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να συνδεθούν σε αυτήν φωσφορίζοντα μόρια, μεταλλικά νανοσωματίδια ή ημιαγωγοί σε προσαρμοσμένες 2Δ και 3Δ αρχιτεκτονικές.

Μια άλλη επιλογή θα μπορούσε να είναι η μετατροπή των πολυεπίπεδων πλεγμάτων σε άκαμπτα πλαίσια μέσω χημικών τροποποιήσεων.

Στη συνέχεια, θα μπορούσαν να επαναχρησιμοποιηθούν ως φωτονικά κρύσταλλα ή μηχανικά μεταϋλικά με ρυθμιζόμενες δονητικές αντιδράσεις, με τέτοια συστήματα να έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές σε αισθητήρες και φωτονική υπολογιστική.

Τέλος, τέτοια πλέγματα θα μπορούσαν να έχουν ιδιότητες επιλεκτικής μεταφοράς ηλεκτρονίων ανά σπιν (spin), καθώς το DNA είναι γνωστό ότι φιλτράρει τα ηλεκτρόνια σύμφωνα με το σπιν τους (μια κβαντική χαρακτηριστική ιδιότητα).

“Δεν πρόκειται για μίμηση κβαντικών υλικών. Πρόκειται για την επέκταση του χώρου σχεδίασης και την κατασκευή νέων τύπων δομημένης ύλης από το κάτω προς τα πάνω, με γεωμετρικό έλεγχο ενσωματωμένο απευθείας στα μόρια.”

Prof. Laura Na Liu – Director of the 2nd Physics Institute of Stuttgart University

Επένδυση σε DNA & Νανοτεχνολογία

Twist Biosciences

Η εταιρεία εξειδικεύεται στη σύνθεση DNA, εκμεταλλευόμενη μεθόδους μικροκατασκευής από τη βιομηχανία ημιαγωγών, εξοικονομώντας χρόνο και χρήμα για τους ερευνητές.

Με την προηγμένη της ικανότητα σύνθεσης DNA και RNA, η Twist θα μπορούσε γρήγορα να γίνει μεγάλος κατασκευαστής απτεμάρων εάν η αγορά για αντιπηκτικά προϊόντα αυξηθεί.

Ως «ουδέτερος» παραγωγός που εστιάζει στην παροχή των καλύτερων αλληλουχιών νουκλεϊκών οξέων στην καλύτερη τιμή, θα μπορούσε να γίνει ο προτιμώμενος εταίρος κατασκευής για οποιαδήποτε φαρμακευτική εταιρεία που επιδιώκει την εμπορευματοποίηση χρήσιμων νουκλεϊκών οξέων, όπως η αποθήκευση δεδομένων ή τα αντιπηκτικά απτέματα.

Τον Ιανουάριο 2023, η εταιρεία άρχισε να αποστέλλει προϊόντα από τη νεοσύστατη δεύτερη εγκατάσταση παραγωγής της. Το νέο εργοστάσιο θα διπλασιάσει τις παραγωγικές δυνατότητες της Twist.

Εργάζεται επίσης στη δημιουργία αποθήκευσης δεδομένων βασισμένης σε DNA που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προστασία δεδομένων, ανεξάρτητα από τα ηλεκτρονικά συστήματα. Έτσι ίσως οι προηγμένες τεχνολογίες αποθήκευσης δεδομένων να χρησιμοποιούν το ίδιο το DNA.

Αυτή η μικροκατασκευή μας επιτρέπει να μειώσουμε τους όγκους των αντιδράσεων κατά ένα παράγοντα 1.000.000, ενώ αυξάνουμε την παραγωγικότητα κατά έναν παράγοντα 1.000, επιτρέποντας τη σύνθεση 9.600 γονιδίων σε ένα μόνο πυριτικό τσιπ σε πλήρη κλίμακα.

Πηγή: Twist Biosciences

Καθώς η εταιρεία είναι ειδική στην παραγωγή προϊόντων DNA για βιομηχανική χρήση, θα μπορούσε να ωφεληθεί σημαντικά από το ότι το DNA γίνεται βασικό εργαλείο στην κατασκευή νανοδομών για τη βιομηχανία ημιαγωγών, χημική και υπολογιστική, είτε ως DNA χημικά κατ’ απαίτηση, αποθήκευση δεδομένων βασισμένη σε DNA, πλέγμα DNA, κ.λπ.

Τελευταία Νέα και Ανάπτυξη Μετοχών Twist Biosciences (TWST)

Μελέτη Αναφορά

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