Las redes de Moiré de ADN permiten nuevos materiales autoensamblables

Metamateriales de red

Una nueva frontera en las ciencias de los materiales es el ensamblaje de estructuras microscópicas en redes, estructuras complejas con un patrón regular y repetitivo, a menudo formadas por tiras o líneas cruzadas.

Estas estructuras a menudo cambian por completo las propiedades de un material, por ejemplo, haciéndolo mucho más fuerte, más flexible, reflejando la luz de manera diferente, etc.

Estas redes pueden tener diferentes formas básicas, por ejemplo, cuadrados, panales hexagonales, kagome, etc.

Fuente: Research Gate

Una posibilidad adicional es combinar 2 capas de materiales de red, creando propiedades aún más avanzadas que van mucho más allá del potencial de las capas individuales. Por ejemplo, discutimos las posibles propiedades superconductoras de una bicapa retorcida hecha de un material de tungsteno-selenio.

Un tipo similar de material ha sido inventado recientemente por investigadores de la Universidad de Stuttgart, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Max Planck.

Crearon una estructura autoensamblable usando moléculas de ADN que podría revolucionar la forma en que controlamos la luz, el sonido y los electrones. Publicaron sus resultados en la prestigiosa revista científica Nature Nanotechnology¹, bajo el título “DNA moiré superlattices”.

Superrejillas Moiré

Las superrejillas moiré son materiales artificiales creados al apilar materiales bidimensionales (2D) con un pequeño ángulo de torsión o desajuste de red.

Fuente: Nature Nanotechnology

Este desajuste crea un “super patrón” adicional, también llamado patrón moiré, diferente del patrón elemental de las dos redes iniciales. Las interacciones de la luz o los electrones con el patrón moiré otorgan nuevas propiedades a este material.

Hasta ahora, los patrones moiré en la ciencia de materiales solo se habían construido a dos escalas radicalmente diferentes: ya sea a escala atómica, como por ejemplo con capas de grafeno (una cien‑millonésima de centímetro, o 0,1 nanómetro), o a escala microscópica (una milésima de metro).

Fuente: Nature Nanotechnology

Estos productos son generalmente muy complejos de producir, requiriendo pasos de fabricación meticulosos, como la transferencia, el apilamiento, la torsión y la alineación de subredes.

Sin embargo, no existían superrejillas moiré a una escala intermedia, contada en nanómetros. Eso cambió cuando estos investigadores usaron ADN para crear una.

Superrejillas de ADN

El ADN es un tipo de molécula pequeña muy especial, ya que tiene una tendencia natural a autoorganizarse en patrones complejos a escala nanométrica. Una de esas estructuras es un haz de origami de ADN, compuesto por hélices de ADN interconectadas, que constituyó uno de los bloques de construcción utilizados por los investigadores.

Fuente: Nature Nanotechnology

El segundo bloque de construcción fueron las subredes de baldosas de ADN 2D, compuestas por baldosas de cadena sencilla (SSTs), con formas de cuadrados, panales hexagonales y kagome. Se utilizaron microscopios electrónicos de transmisión (TEM) para verificar la regularidad y calidad de las estructuras de red.

Fuente: Nature Nanotechnology

Los investigadores usaron el haz de origami de ADN como una “semilla”, alrededor de la cual una red mucho más grande pudo autoorganizarse naturalmente. Diferentes semillas crean diferentes tipos de red de ADN, lo que permite un gran control sobre la forma final.

Fuente: Nature Nanotechnology

Al producirlas, muchas de estas redes se mezclaron, creando una red bicapa formada por moléculas de ADN. Diferentes condiciones de producción, con variaciones en las semillas y la temperatura, permiten un control limitado de la proporción de redes bicapa frente a monolayer producidas.

Fuente: Nature Nanotechnology

Analizando bicapas y trilamas de ADN

Usando microscopía electrónica de barrido (SEM), los investigadores analizaron estas estructuras nanoscópicas bicapa.

Ambas monolayers miden ~39,0 nm de altura y alrededor de un micrómetro de ancho.

Fuente: Nature Nanotechnology

Cuando las bicapas retorcidas utilizaban subredes idénticas (cuadrado‑cuadrado, kagome‑kagome y panal‑panal), resultó en una superposición casi completa (pero no total) de las dos monolayers.

Estas fueron las combinaciones que produjeron los patrones moiré más interesantes para bicapas, en comparación con los patrones mixtos.

Fuente: Nature Nanotechnology

Los investigadores incluso lograron crear patrones de trilamina, con patrones moiré aún más complejos, que también se autoensamblan.

Fuente: Nature Nanotechnology

Esto no quiere decir que ninguna capa mixta no mostrara patrones interesantes; por ejemplo, la trilamina cuadrado‑kagome‑cuadrado. También es probable que en el futuro se puedan crear más patrones con diferentes semillas y estructuras de ADN, ya que este es solo el primer patrón moiré nanoscópico jamás creado.

Fuente: Nature Nanotechnology

Se puede desarrollar un mayor control sobre el desarrollo de estos patrones, y los investigadores ya están considerando soluciones. Por ejemplo, la semilla de origami puede colocarse con precisión sobre sustratos, usando métodos de nanofabricación. De este modo, podría ensamblarse en ubicaciones predefinidas del chip.

Aplicaciones

En conjunto, esta tecnología de fabricación de redes de ADN autoensamblables y este nuevo tipo de material podrían encontrar aplicación en cualquier campo que requiera fabricación precisa a escala nanométrica.

Esto se debe en gran parte a que proporcionan una mezcla casi perfecta de alta resolución espacial, direccionabilidad precisa y simetría programable.

La primera aplicación de una estructura de este tipo sería usarla como andamio a escala nanoscópica. Por ejemplo, podrían adherirse a ella moléculas fluorescentes, nanopartículas metálicas o semiconductores en arquitecturas 2D y 3D personalizadas.

Otra opción podría ser convertir las redes multicapa en marcos rígidos mediante modificaciones químicas.

Luego podrían reutilizarse como cristales fonónicos o metamateriales mecánicos con respuestas vibracionales ajustables, sistemas que tendrían muchas aplicaciones potenciales en sensores y computación fotónica.

Por último, estas redes podrían poseer propiedades de transporte electrónico selectivo por espín, ya que se sabe que el ADN filtra electrones según su espín (una característica cuántica).

“No se trata de imitar materiales cuánticos. Se trata de expandir el espacio de diseño y hacer posible construir nuevos tipos de materia estructurada desde cero, con control geométrico incorporado directamente en las moléculas.”

Prof. Laura Na Liu – Directora del 2.º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart

Inversión en ADN & Nanotecnología

Twist Biosciences

La empresa se especializa en síntesis de ADN, aprovechando métodos de miniaturización de la industria de semiconductores, ahorrando tiempo y dinero a los investigadores.

Con su capacidad avanzada de síntesis de ADN y ARN, Twist podría convertirse rápidamente en un importante fabricante de aptámeros si el mercado de productos anti‑coagulantes crece.

Como productor “neutral” centrado en proporcionar las mejores secuencias de ácidos nucleicos al mejor precio, podría ser el socio de fabricación preferido para cualquier compañía farmacéutica que busque comercializar ácidos nucleicos útiles, como almacenamiento de datos o aptámeros anti‑coagulantes.

En enero de 2023, la compañía comenzó a enviar productos desde su segunda instalación de fabricación recién inaugurada. La nueva fábrica debería duplicar la capacidad de producción de Twist.

También está trabajando en crear almacenamiento de datos basado en ADN que podría usarse para salvaguardar datos, independiente de los sistemas electrónicos. Así que tal vez las tecnologías avanzadas de almacenamiento de datos podrían usar el propio ADN.

Esta miniaturización nos permite reducir los volúmenes de reacción en un factor de 1 000 000 mientras aumentamos el rendimiento en un factor de 1 000, posibilitando la síntesis de 9 600 genes en un solo chip de silicio a plena escala.

Fuente: Twist Biosciences

Como la compañía es experta en producir productos de ADN para uso industrial, podría beneficiarse enormemente de que el ADN se convierta en una herramienta clave para construir nanostructuras para la industria de semiconductores, química y computación, ya sea mediante químicos de ADN bajo demanda, almacenamiento de datos basado en ADN, redes de ADN, etc.

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Estudio Referenciado

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