DNA:n moiré-hilat mahdollistavat uusien itsejärjestyvien materiaalien muodostumisen

Hila-metamateriaalit

Materiaalitieteiden uusi aluevaltaus on mikroskooppisten rakenteiden kokoaminen hiloiksi. Nämä monimutkaiset rakenteet muodostavat säännöllisen, toistuvan kuvion, joka usein koostuu ristikkäisistä suikaleista tai viivoista.

Nämä rakenteet muuttavat usein materiaalin ominaisuuksia täysin, esimerkiksi tehden siitä paljon vahvempi, joustavampi, heijastaa valoa eri tavalla, Jne

Näillä hiloilla voi olla erilaisia perusmuotoja, esimerkiksi neliöitä, kuusikulmaisia hunajakennoja, Kagome, Jne

Lähde: researchgate

Lisämahdollisuus on yhdistää kaksi hilamateriaalikerrosta, mikä luo entistä kehittyneempiä ominaisuuksia, jotka ylittävät yksittäisten kerrosten potentiaalin. Esimerkiksi keskustelimme volframi-seleenimateriaalista valmistetun kierretyn kaksikerroksen mahdolliset suprajohtavat ominaisuudet.

Stuttgartin yliopiston, Arizonan osavaltionyliopiston ja Max Planck -instituutin tutkijat ovat nyt keksineet uudenlaisen vastaavanlaisen materiaalin.

He loivat itseään rakentavan rakenteen käyttämällä DNA-molekyylejä, jotka voisivat mullistaa valon, äänen ja elektronien hallinnan. He julkaisivat tuloksensa arvostetussa Nature Nanotechnology -tieteellisessä lehdessä.¹, otsikon alla "DNA:n moiré-superhilat".

Moiré-superhilat

Moiré-superhilat ovat keinotekoisia materiaaleja, jotka on luotu pinoamalla kaksiulotteisia (2D) materiaaleja pienellä kiertymiskulmalla tai hila-epäsuhdanteella.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Tämä epäsuhta luo ylimääräisen "superkuvion", jota kutsutaan myös moiré-kuvioksi ja joka eroaa kahden alkuperäisen hilan elementtikuviosta. Valon tai elektronien vuorovaikutus moiré-kuvion kanssa antaa tälle materiaalille uusia ominaisuuksia.

Tähän mennessä materiaalitieteen moiré-kuvioita on rakennettu vain kahdella radikaalisti eri mittakaavalla: joko atomaarisella mittakaavalla, kuten esimerkiksi grafeenikerroksilla (sadasmiljoonasosa senttimetriä eli 2 nanometriä), tai mikroskooppisella mittakaavalla (tuhannesosa metriä).

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Näiden tuotteiden valmistaminen on yleensä erittäin monimutkaista, ja ne vaativat huolelliset valmistusvaiheet, kuten alihilojen siirto, pinoaminen, kiertäminen ja kohdistaminen.

Nanometreinä laskettuna moiré-superhilaa ei kuitenkaan havaittu, kunnes tutkijat käyttivät DNA:ta sellaisen luomiseen.

DNA-superhilat

DNA on hyvin erityinen pieni molekyylityyppi, koska sillä on luontainen taipumus organisoitua monimutkaisiksi kuvioiksi nanoskaalassa. Yksi tällainen rakenne on DNA-origami-kimppu, joka koostuu toisiinsa kytkeytyneistä DNA-heliksistä, jotka muodostivat yhden tutkijoiden käyttämistä rakennuspalikoista.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Toinen rakennuspalikka oli 2D-DNA-laattojen alihilat, jotka koostuivat yksijuosteisista laatoista (SST) neliöiden, kuusikulmaisten hunajakennojen ja kagomien muotoisina. Hilarakenteiden säännöllisyys ja laatu tarkistettiin transmissioelektronimikroskoopeilla (TEM).

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Tutkijat käyttivät DNA-origami-nippua "siemenenä", jonka ympärille paljon suurempi hila pystyi luonnollisesti itseorganisoitumaan. Eri siemenet luovat erityyppisiä DNA-hiloja, mikä mahdollistaa lopullisen muodon tehokkaan hallinnan.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Tuotettaessa monet näistä hiloista sekoittuvat yhteen, jolloin muodostuu DNA-molekyyleistä koostuva kaksikerroksinen hila. Erilaiset tuotanto-olosuhteet, joissa siemenet ja lämpötila vaihtelevat, mahdollistavat rajoitetun hallinnan tuotettujen kaksikerroksisten ja yksikerroksisten hilojen osuutta kohtaan.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

DNA:n kaksi- ja kolmikerroksisten osien analysointi

Tutkijat analysoivat näitä kaksikerroksisia nanoskooppisia rakenteita pyyhkäisyelektronimikroskopian (SEM) avulla.

Molempien yksikerrosten korkeus on ~39.0 nm ja leveys noin mikrometri.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Kun kierretyt kaksoiskerrokset käyttivät identtisiä alihilarakenteita (neliö-neliö, kagome-kagome ja hunajakenno-hunajakenno), se johti kahden yksikerroksen lähes täydelliseen (mutta ei täydelliseen) päällekkäisyyteen.

Nämä olivat yhdistelmät, jotka tuottivat mielenkiintoisimmat moiré-kuviot kaksikerroksisille kuvioille verrattuna sekakuvioihin.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Tutkijat onnistuivat jopa luomaan kolmikerroksisia kuvioita, joissa on vielä monimutkaisempia moiré-kuvioita, jotka myös kokoontuvat itsestään.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Tämä ei tarkoita, etteikö yhdessäkään sekakerroksessa olisi havaittu mielenkiintoisia kuvioita, kuten esimerkiksi neliö-kagome-neliö-kolmikerroksessa. On myös todennäköistä, että tulevaisuudessa voitaisiin luoda lisää kuvioita erilaisilla siemenillä ja DNA-rakenteilla, koska tämä on vasta ensimmäinen koskaan luotu nanoskooppinen moiré-kuvio.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Näiden kuvioiden kehityksen hallintaa voidaan kehittää edelleen, ja tutkijat harkitsevat jo ratkaisuja. Esimerkiksi origamin siemen voidaan sijoittaa tarkasti alustoille nanovalmistusmenetelmien avulla. Tällä tavoin se voitaisiin koota ennalta määrättyihin paikkoihin sirulla.

Sovellukset

Kaiken kaikkiaan tämä itsejärjestyvien DNA-hilojen valmistustekniikka ja uudentyyppinen materiaali voisivat löytää sovelluksia millä tahansa alalla, joka vaatii tarkkaa valmistusta nanomittakaavassa.

Tämä johtuu suurelta osin siitä, että ne tarjoavat lähes täydellisen yhdistelmän korkeaa spatiaalista resoluutiota, tarkkaa osoitteellisuutta ja ohjelmoitavaa symmetriaa.

Tällaisen rakenteen ensimmäinen sovellus olisi sen käyttö nanoskooppisen mittakaavan telineenä. Siihen olisi voitu esimerkiksi kiinnittää fluoresoivia molekyylejä, metallisia nanopartikkeleita tai puolijohteita räätälöidyissä 2D- ja 3D-arkkitehtuureissa.

Toinen vaihtoehto voisi olla monikerroksisten hilojen muuttaminen jäykiksi kehyksiksi kemiallisten modifikaatioiden avulla.

Niitä voitaisiin sitten käyttää uudelleen fononisina kiteinä tai mekaanisina metamateriaaleina, joilla on viritettävät värähtelyvasteet, ja tällaisilla järjestelmillä on monia potentiaalisia sovelluksia antureissa ja fotonisessa laskennassa.

Lopuksi, tällaisilla hiloilla voisi olla spinselektiivisen elektroninkuljetuksen ominaisuuksia, koska DNA:n tiedetään suodattavan elektroneja niiden spinin mukaan (kvanttiominaisuus).

”Tässä ei ole kyse kvanttimateriaalien matkimisesta. Kyse on suunnittelutilan laajentamisesta ja uudenlaisten strukturoitujen aineiden rakentamisen mahdollistamisesta alhaalta ylöspäin, geometrisen ohjauksen ollessa suoraan molekyyleihin upotettuna.”

PR. Laura Na Liu - Johtaja että 2. fysiikan instituutti Stuttgartin yliopistosta

Sijoittaminen DNA:han ja nanoteknologiaan

Twist Biosciences

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

Edistyksellisen DNA- ja RNA-synteesikykynsä ansiosta Twististä voi nopeasti tulla merkittävä aptameerien valmistaja, jos hyytymistä ehkäisevien tuotteiden markkinat kasvavat.

"Neutraalina" tuottajana, joka on keskittynyt tarjoamaan parhaat nukleiinihapposekvenssit parhaaseen hintaan, se voisi olla valintavalmistuskumppani mille tahansa lääkeyritykselle, joka haluaa kaupallistaa hyödyllisiä nukleiinihappoja, kuten tiedontallennus- tai hyytymistä estävät aptameerit.

Tammikuussa 2023 yritys aloitti tuotteiden toimituksen äskettäin lanseeratusta toisesta tuotantolaitoksestaanUuden tehtaan pitäisi kaksinkertaistaa Twistin tuotantokapasiteetti.

Se työskentelee myös luomisen parissa DNA-pohjainen tietojen tallennus jota voitaisiin käyttää datan suojaamiseen sähköisistä järjestelmistä riippumatta. Joten ehkä edistyneet tiedontallennustekniikat voisivat hyödyntää itse DNA:ta.

Tämän miniatyrisoinnin avulla voimme pienentää reaktiotilavuuksia kertoimella 1,000,000 1,000 9,600 ja samalla lisätä suorituskykyä kertoimella XNUMX XNUMX, mikä mahdollistaa XNUMX XNUMX geenin synteesin yhdellä piisirulla täydessä mittakaavassa.

Lähde: Twist Biosciences

Koska yritys on asiantuntija teolliseen käyttöön tarkoitettujen DNA-tuotteiden tuotannossa, se voisi hyötyä suuresti siitä, että DNA:sta tulee keskeinen työkalu nanorakenteiden rakentamisessa puolijohde-, kemian- ja tietojenkäsittelyteollisuudessa, olipa kyseessä sitten DNA-kemikaalit, DNA-pohjainen tiedontallennus, DNA-hila jne.

Twist Biosciencesin (TWST) uusimmat osakeuutiset ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et ai. DNA:n moiré-superhilat. NatURENanoteknologialogia. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}