Las redes de Moiré de ADN permiten nuevos materiales autoensamblables

Metamateriales reticulares

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... mas fuerte, mas flexible, reflejando la luz de manera diferente, etc.

Estas celosías pueden tener diferentes formas básicas, por ejemplo, cuadradas, hexagonales, de panal, kagome, etc.

Fuente: Puerta de la investigación

Una posibilidad adicional es combinar dos capas de materiales reticulares, creando propiedades aún más avanzadas que superan con creces el potencial de las capas individuales. Por ejemplo, analizamos Las posibles propiedades superconductoras de una bicapa retorcida hecha de un material de tungsteno y selenio..

Investigadores de la Universidad de Stuttgart, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Max Planck han inventado un nuevo tipo de material similar.

Crearon una estructura autoconstruible 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 Nanotechnology.¹, bajo el título "superredes muaré de ADN.

Superredes de Moiré

Las superredes de Moiré son materiales artificiales creados al apilar materiales bidimensionales (2D) con un pequeño ángulo de torsión o desajuste reticular.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Este desajuste crea un "superpatrón" adicional, también llamado patrón muaré, diferente del patrón elemental de las dos redes iniciales. Las interacciones de la luz o los electrones con el patrón muaré confieren nuevas propiedades a este material.

Hasta ahora, los patrones muaré en la ciencia de los materiales se habían construido sólo a dos escalas radicalmente diferentes: a escala atómica, como por ejemplo con las capas de grafeno (una cienmillonésima de centímetro, o 2 nanómetros), o a escala microscópica (una milésima de metro).

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

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

Sin embargo, no existían superredes de muaré a escala intermedia, contadas en nanómetros. Esto fue así hasta que estos investigadores utilizaron ADN para crear una.

Superredes de ADN

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

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

El segundo componente fundamental fueron las subredes de mosaicos de ADN 2D, compuestas por mosaicos monocatenarios (SST) con formas cuadradas, hexagonales de panal y kagome. Se utilizaron microscopios electrónicos de transmisión (MET) para verificar la regularidad y la calidad de las estructuras reticulares.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Los investigadores utilizaron el haz de origami de ADN como una "semilla", alrededor de la cual se autoorganizaba de forma natural una red mucho más grande. Diferentes semillas crean distintos tipos de red de ADN, lo que permite un gran control sobre la forma final.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Durante su producción, muchas de estas redes se mezclaron, creando una red bicapa compuesta de moléculas de ADN. Las diferentes condiciones de producción, con variaciones en las semillas y la temperatura, permiten un control limitado de la proporción de redes bicapa y monocapa producidas.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Análisis de bicapas y tricapas de ADN

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

Ambas monocapas miden ~39.0 nm de altura y alrededor de un micrómetro de ancho.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Cuando las bicapas retorcidas utilizaron subredes idénticas (cuadrado-cuadrado, kagome-kagome y panal-panal), se produjo una superposición casi completa (pero no total) de las dos monocapas.

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

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Los investigadores incluso lograron crear patrones de tres capas, con patrones muaré aún más complejos, que también son autoensamblables.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

Esto no significa que ninguna capa mixta no presentara patrones interesantes, como, por ejemplo, la tricapa cuadrado-kagome-cuadrado. También es probable que se creen más patrones en el futuro con diferentes semillas y estructuras de ADN, ya que este es solo el primer patrón de moiré nanoscópico jamás creado.

Fuente: Naturaleza Nanotecnología

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 mediante métodos de nanofabricación. De esta manera, podría ensamblarse en ubicaciones predefinidas del chip.

Aplicaciones

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

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

La primera aplicación de dicha estructura sería su uso como andamio a escala nanoscópica. Por ejemplo, podría incorporar moléculas fluorescentes, nanopartículas metálicas o semiconductores en arquitecturas 2D y 3D personalizadas.

Otra opción podría ser convertir las redes multicapa en estructuras rígidas mediante modificaciones químicas.

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

Por último, dichas redes podrían tener propiedades de transporte de electrones selectivo en función del espín, ya que se sabe que el ADN filtra los electrones según su espín (una característica cuántica).

No se trata de imitar materiales cuánticos. Se trata de ampliar el espacio de diseño y posibilitar la construcción de nuevos tipos de materia estructurada desde cero, con control geométrico integrado directamente en las moléculas.

Profe. Laura Na Liu – Director de 2º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart

Invertir en ADN y nanotecnología

Giro de las biociencias

La empresa se especializa en la síntesis de ADN, Aprovechando los métodos de miniaturización de la industria de los 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 crece el mercado de productos anticoagulantes.

Como productor "neutral" centrado en proporcionar las mejores secuencias de ácidos nucleicos al mejor precio, podría ser un socio de fabricación de elección para cualquier empresa farmacéutica que busque comercializar ácidos nucleicos útiles, como almacenamiento de datos o aptámeros anticoagulantes.

En enero de 2023, la empresa comenzó a enviar productos desde su segunda instalación de fabricación recientemente inauguradaLa nueva fábrica debería duplicar la capacidad de producción de Twist.

También está trabajando en la creación Almacenamiento de datos basado en ADN Que podría usarse para proteger datos, independientemente de los sistemas electrónicos. Así que quizás 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 y al mismo tiempo aumentar el rendimiento en un factor de 1,000, lo que permite la síntesis de 9,600 genes en un solo chip de silicio a escala completa.

Fuente: Giro de las biociencias

Como la empresa es experta en la producción de productos de ADN para uso industrial, podría beneficiarse enormemente si el ADN se convirtiera en una herramienta clave en la construcción de nanoestructuras para la industria de semiconductores, química y informática, ya sean productos químicos de ADN a pedido, 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. superredes muaré de ADN. NatUre. Nanotecnologíaogía. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}