Materiaalitiede

DNA Moiré -ruudukot mahdollistavat uudet itsekoostuvat materiaalit

mm
Julkaistu
Päivitetty
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Ristikko-metamateriaalit

Uusi raja-alue materiaalitieteessä on mikroskooppisten rakenteiden kokoaminen ristikkoihin, monimutkaisiin rakenteisiin, joissa on säännöllinen, toistuva kuvio, usein ristikkojen tai viivojen muodostamana.

Nämä ristikot usein muuttavat täysin materiaalin ominaisuuksia, esimerkiksi tekevät siitä paljon vahvemmaksi, joustavammaksi, valoa heijastavaksi eri tavalla, jne.

Nämä ristikot voivat olla erilaisia perusmuotoja, esimerkiksi neliöitä, kuusikulmaista hunajakennoa, kagome, jne.

Lisämahdollisuus on yhdistää kaksi ristikkomateriaalia, luoden vielä kehittyneempiä ominaisuuksia, jotka ylittävät yksittäisten kerrosten potentiaalin. Esimerkiksi keskustelimme potentiaalisista superjohtavuusominaisuuksista kierretyssä kaksikerroksessa, joka on valmistettu volframi-selenium-materiaalista.

Uusi samankaltainen materiaalityyppi on nyt keksitty tutkijoiden toimesta Stuttgardia yliopistosta, Arizonan osavaltion yliopistosta ja Max Planck -instituutista.

He loivat itserakentuvan rakenteen DNA-molekyylejä käyttäen, mikä voisi mullistaa tavan, jolla hallitsemme valoa, ääntä ja elektroneja. He julkaisevat tuloksensa arvostetussa tieteellisessä lehdessä Nature Nanotechnology1, otsikolla “DNA moiré superlattices”.

Moiré-superruudukot

Mittakaava Materiaaliesimerkki Arvioitu koko Kokoonpanomenetelmä
Atominen Grafeenin kaksikerrokset ~0.1 nm Mekaaninen pinnoittaminen ja kierto
Nanoskopia DNA moiré superlattices ~40 nm Itsekoostuva DNA-origami
Mikroskooppinen Fotoniikkakiteet ~1 µm Tarkka valmistus

Moiré-superruudukot ovat keinotekoisia materiaaleja, jotka on luotu pinnoittamalla kaksiulotteisia (2D) materiaaleja pienellä kiertokulmalla tai ristikkoeroilla.

Tämä ero luo ylimääräisen “superkuvion”, jota kutsutaan myös moiré-kuvioksi, ja se eroaa alkuperäisten kahden ristikon elementaarisesta kuvioista. Valon tai elektronien vuorovaikutus moiré-kuvion kanssa antaa tälle materiaalille uusia ominaisuuksia.

Toistaiseksi moiré-kuvioita materiaalitieteessä on rakennettu vain kahdelle radikaalisti erilaiselle mittakaavalle: joko atomitasolla, kuten esimerkiksi grafeenin kerroksilla (sadan miljoonasosa senttimetristä, eli 0,1 nanometri), tai mikroskooppisella tasolla (tuhannesosa metristä).

Nämä tuotteet ovat yleensä erittäin monimutkaisia valmistaa, vaativat tarkkoja valmistusvaiheita, kuten siirtoa, pinnoittamista, kiertoa ja aliristikkojen kohdistamista.

Kuitenkin, välimittakaavan, nanometrien mittakaavassa, moiré-superruudukkoja ei ollut olemassa. Tämä muuttui, kun nämä tutkijat käyttivät DNA:ta luodakseen sellaisen.

DNA-superruudukot

DNA on erittäin erityinen pieni molekyyli, koska sillä on luonnollinen taipumus itsejärjestäytyä monimutkaisiksi kuvioiksi nanoskaalassa. Yksi tällainen rakenne on DNA-origami-paketti, joka koostuu toisiinsa kytketyistä DNA-hekseistä, ja se muodostaa yhden tutkijoiden käyttämistä rakennuspalikoista.

Toinen rakennuspalikka oli 2D DNA-laatta-aliristikot, jotka koostuivat yksisäikeisistä laatoista (SST), neliö-, kuusikulmaisen hunajakenno- ja kagome-muodoista. Siirtoelektronimikroskooppeja (TEM) käytettiin tarkistamaan ristikkojen säännöllisyyttä ja laatua.

Tutkijat käyttivät DNA-origami-pakettia “siemenenä”, jonka ympärille paljon suurempi ristikko pystyi luonnollisesti itsejärjestäytymään. Eri siemenet luovat erilaisia DNA-ristikoita, mikä mahdollistaa suuren hallinnan lopulliseen muotoon.

Kun ne tuotettiin, monet näistä ristikkoista sekoittuivat keskenään, luoden DNA-molekyyleistä koostuvan kaksikerroksisen ristikon. Eri tuotantoehdot, joissa siemenet ja lämpötila vaihtelivat, mahdollistavat rajoitetun hallinnan kaksikerroksen ja yksikerroksen ristikkojen osuuksille.

DNA-bilayerien ja -trilayerien analysointi

Käyttäen skannaavan elektronimikroskopian (SEM) tekniikkaa, tutkijat analysoivat näitä kaksikerroksisia nanoskaalaisia rakenteita.

Molemmat yksikerrokset mittaavat ~39,0 nm korkeudeltaan ja noin mikrometrin leveyttä.

Kun kierretyt kaksikerrokset käyttivät identtisiä aliristikkoja (neliö–neliö, kagome–kagome ja hunajakenno–hunajakenno), ne johtivat lähes täydelliseen (mutta ei täysin) päällekkäisyyteen kahden yksikerroksen välillä.

Nämä olivat yhdistelmät, jotka tuottivat mielenkiintoisimmat moiré-kuviot kaksikerroksille verrattuna sekoitettuihin kuvioihin.

Tutkijat onnistuivat jopa luomaan trilayer-kuvioita, joissa on vielä monimutkaisempia moiré-kuvioita, jotka ovat myös itsekoostuvia.

Tämä ei tarkoita, että sekoitetut kerrokset eivät näyttäisi mielenkiintoisia kuvioita, esimerkiksi neliö‑kagome‑neliö‑trilayer. On myös todennäköistä, että tulevaisuudessa voidaan luoda lisää kuvioita erilaisilla siemenillä ja DNA-rakenteilla, sillä tämä on vasta ensimmäinen koskaan luotu nanoskaalainen moiré-kuvio.

 

Lisää hallintaa näiden kuvioiden kehittämiseen voidaan saavuttaa, ja ratkaisuja harkitaan jo tutkijoiden toimesta. Esimerkiksi origami‑siementä voidaan sijoittaa tarkasti alustoille käyttäen nanofabrikointimenetelmiä. Näin se voitaisiin koota ennalta määriteltyihin paikkoihin sirussa.

Sovellukset

Kokonaisuudessaan tämä itsekoostuvien DNA-ristikkojen valmistusteknologia ja uusi materiaalityyppi voisi löytää sovelluksia kaikilla aloilla, jotka vaativat tarkkaa nanoskaalaista valmistusta.

Tämä johtuu pitkälti siitä, että ne tarjoavat lähes täydellisen yhdistelmän korkeaa spatiaalista tarkkuutta, tarkkaa osoitteellisuutta ja ohjelmoitavaa symmetriaa.

Ensimmäinen tällaisen rakenteen sovellus olisi käyttää sitä tukirankana nanoskaalassa. Esimerkiksi siihen voitaisiin kiinnittää fluoresoivia molekyylejä, metallisia nanopartikkeleita tai puolijohteita räätälöidyissä 2D- ja 3D-arkkitehtuureissa.

Toinen vaihtoehto voisi olla tehdä monikerroksisista ristikkoista jäykkiä kehyksiä kemiallisten muokkausten avulla.

Ne voitaisiin sitten uudelleenkäyttää fononikristalleina tai mekaanisina metamateriaaleina, joiden värähtelyvastaukset ovat säädettävissä, ja tällaisilla järjestelmillä on monia mahdollisia sovelluksia antureissa ja fotoniikkalaskennassa.

Lopuksi, tällaisilla ristikkoilla voisi olla spini‑selektiivisen elektroninsiirron ominaisuuksia, sillä DNA:n tiedetään suodattavan elektroneja niiden spinin (kvantti‑ominaisuuden) mukaan.

“Tämä ei ole kvanttimateriaalien jäljittelemistä. Kyse on suunnittelutilan laajentamisesta ja mahdollistamisesta rakentaa uusia rakenteellisia aineita alhaalta ylöspäin, geometrisen kontrollin upotettuna suoraan molekyyleihin.”

Prof. Laura Na Liu – Johtaja of the Toisen fysiikan instituutti of Stuttgart University

Sijoittaminen DNA:han ja nanotekniikkaan

Twist Biosciences

(TWST )

Yritys on erikoistunut DNA-synteesiin, hyödyntäen puolijohdeteollisuuden miniaturointimenetelmiä, mikä säästää tutkijoiden aikaa ja rahaa.

Edistyneen DNA- ja RNA-synteesikyvyn avulla Twist voisi nopeasti nousta merkittäväksi aptamerivalmistajaksi, jos anti‑veritulkkatuotteiden markkinat kasvavat.

Neutraali “tuottaja”, joka keskittyy tarjoamaan parhaat nukleiinihapparakenteet parhaaseen hintaan, voisi olla valittu valmistuskumppani mille tahansa lääketeollisuuden yritykselle, joka haluaa kaupallistaa hyödyllisiä nukleiinihappoja, kuten tiedon tallennusta tai anti‑veritulkkiaptamereita.

Januussa 2023 yritys alkoi lähettää tuotteita äskettäin lanseeratusta toisesta valmistuslaitoksestaan. Uuden tehtaan pitäisi kaksinkertaistaa Twistin tuotantokapasiteetit.

Se työskentelee myös DNA-pohjaisen tiedon tallennuksen parissa, jota voitaisiin käyttää datan turvaamiseen, riippumatta elektronisista järjestelmistä. Joten ehkä kehittyneet tiedon tallennusteknologiat voisivat käyttää itse DNA:ta.

Tämä miniaturointi mahdollistaa reaktioiden tilavuuden pienentämisen miljoonakertaisesti samalla kun läpimenoaika kasvaa tuhatkertaisesti, mahdollistaen 9 600 geenin synteesin yhdellä piisirulla täysimittakaavassa.

Koska yritys on asiantuntija DNA-tuotteiden teolliseen käyttöön, se voisi hyötyä merkittävästi siitä, että DNA:sta tulee keskeinen työkalu nanorakenteiden rakentamisessa puolijohde-, kemian- ja laskentateollisuudessa, olipa kyse sitten tilauspohjaisista DNA-kemikaaleista, DNA-pohjaisesta tiedon tallennuksesta, DNA-ristikosta jne.

Uusimmat Twist Biosciences (TWST) -osakeuutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

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

mm

Jonathan on entinen biokemian tutkija, joka on työskennellyt geneettisen analyysin ja kliinisten tutkimusten parissa. Hän on nyt osakkeiden analyytikko ja rahoituskirjailija, joka keskittyy innovaatioihin, markkinoiden sykleihin ja geopolitiikkaan julkaisussaan The Eurasian Century.