DNA मोयर लैटिस नई स्व-सम्प्रेरित सामग्री को सक्षम बनाते हैं

लैटिस मेटामटेरियल्स

सामग्री विज्ञान में एक नया मोर्चा माइक्रोस्कोपिक संरचनाओं को लैटिस में असेंबल करने का है, जटिल संरचनाएँ जिनका नियमित, दोहराव वाला पैटर्न होता है, अक्सर क्रॉस किए हुए पट्टियों या रेखाओं से बनी होती हैं।

These structures often completely change the properties of a material, for example, making it बहुत अधिक मजबूत, अधिक लचीला, प्रकाश को अलग तरह से प्रतिबिंबित करना, आदि।

These lattices can have different basic shapes, for example, squares, hexagonal honeycomb, kagome, आदि।

स्रोत: Research Gate

An additional possibility is to combine 2 layers of lattice materials, creating even more advanced properties going way beyond the potential of the individual layers. For example, we discussed ट्विस्टेड बाइलायर की संभावित सुपरकंडक्टिव गुण, जो टंगस्टन-सेलेनियम सामग्री से बना है।

एक नया समान प्रकार का सामग्री अब स्टुटगार्ट विश्वविद्यालय, एरिज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी और मैक्स प्लैंक संस्थान के शोधकर्ताओं द्वारा आविष्कृत किया गया है।

उन्होंने DNA अणुओं का उपयोग करके एक स्व-निर्माण संरचना बनाई जो प्रकाश, ध्वनि और इलेक्ट्रॉनों को नियंत्रित करने के तरीके में क्रांति ला सकती है। उन्होंने अपने परिणाम प्रतिष्ठित वैज्ञानिक जर्नल Nature Nanotechnology¹ में प्रकाशित किए, शीर्षक “DNA moiré superlattices” के तहत।

मोयर सुपरलैटिस

मोयर सुपरलैटिस कृत्रिम सामग्री हैं जो दो-आयामी (2D) सामग्री को छोटे ट्विस्ट एंगल या लैटिस मिसमैच के साथ स्टैक करके बनाई जाती हैं।

स्रोत: Nature Nanotechnology

यह मिसमैच एक अतिरिक्त “सुपर पैटर्न” बनाता है, जिसे मोयर पैटर्न भी कहा जाता है, जो प्रारंभिक दो लैटिस के मूल पैटर्न से अलग है। प्रकाश या इलेक्ट्रॉनों की मोयर पैटर्न के साथ अंतःक्रिया इस सामग्री को नई विशेषताएँ देती है।

अब तक, सामग्री विज्ञान में मोयर पैटर्न केवल दो अत्यधिक अलग स्केल पर निर्मित किए गए थे: या तो परमाणु स्केल पर, जैसे ग्रैफ़ीन लेयर्स के साथ (सेमी का सौ मिलियनवां भाग, या 0.1 नैनोमीटर), या माइक्रोस्कोपिक स्केल पर (मीटर का हज़ारवां भाग)।

स्रोत: Nature Nanotechnology

These products are generally very complex to produce, requiring meticulous fabrication steps, such as the transfer, stacking, twisting, and alignment of sublattices.

हालाँकि, नैनोमीटर में मापी जाने वाली मध्यवर्ती स्केल पर कोई मोयर सुपरलैटिस नहीं था। यह तब तक था जब तक इन शोधकर्ताओं ने DNA का उपयोग करके एक बनाया।

DNA सुपरलैटिस

DNA एक बहुत विशेष प्रकार का छोटा अणु है, क्योंकि इसमें नैनोस्केल पर जटिल पैटर्न में स्व-व्यवस्थित होने की प्राकृतिक प्रवृत्ति होती है। ऐसी ही एक संरचना DNA ओरिगामी बंडल है, जो परस्पर जुड़े DNA हेलिक्स से बनी होती है, और यह शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए गए निर्माण ब्लॉकों में से एक थी।

स्रोत: Nature Nanotechnology

दूसरा निर्माण ब्लॉक 2D DNA टाइल सबलैटिस था, जो सिंगल-स्ट्रैंडेड टाइल्स (SSTs) से बना था, जिसमें वर्ग, षट्भुज शहद की छत, और कागोमे आकार शामिल थे। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (TEM) का उपयोग लैटिस संरचनाओं की नियमितता और गुणवत्ता जांचने के लिए किया गया।

स्रोत: Nature Nanotechnology

शोधकर्ताओं ने DNA ओरिगामी बंडल को “बीज” के रूप में उपयोग किया, जिसके चारों ओर एक बहुत बड़ा लैटिस स्वाभाविक रूप से स्वयं व्यवस्थित हो सकता था। विभिन्न बीज विभिन्न प्रकार के DNA लैटिस बनाते हैं, जिससे अंतिम आकार पर बड़ी नियंत्रण मिलती है।

स्रोत: Nature Nanotechnology

उत्पादन के दौरान, इन लैटिस में से कई एक साथ मिलते हैं, जिससे DNA अणुओं से बना बाइलायर लैटिस बनता है। विभिन्न उत्पादन स्थितियों, बीजों और तापमान के विविधताओं के साथ, बाइलायर बनाम मोनोलेयर लैटिस के अनुपात पर सीमित नियंत्रण संभव होता है।

स्रोत: Nature Nanotechnology

DNA बाइलायर और ट्राइलायर का विश्लेषण

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने इन बाइलायर नैनोस्कोपिक संरचनाओं का विश्लेषण किया।

दोनों मोनोलेयर की ऊँचाई लगभग ~39.0 nm और चौड़ाई लगभग एक माइक्रोमीटर है।

स्रोत: Nature Nanotechnology

जब ट्विस्टेड बाइलायर ने समान सबलैटिस (वर्ग–वर्ग, कागोमे–कागोमे, और शहद-छत–शहद-छत) का उपयोग किया, तो दो मोनोलेयर का लगभग पूर्ण (परंतु कुल नहीं) ओवरलैप हुआ।

ये संयोजन बाइलायर के लिए सबसे रोचक मोयर पैटर्न उत्पन्न करते थे, मिश्रित पैटर्न की तुलना में।

स्रोत: Nature Nanotechnology

शोधकर्ताओं ने त्रिलायर पैटर्न भी बनाए, जिनमें और अधिक जटिल मोयर पैटर्न थे, जो स्व-सम्प्रेरित भी हैं।

स्रोत: Nature Nanotechnology

यह यह नहीं कह रहा है कि मिश्रित परतों ने रोचक पैटर्न नहीं दिखाए, उदाहरण के लिए, वर्ग-कागोमे-वर्ग त्रिलायर। यह भी संभव है कि भविष्य में विभिन्न बीजों और DNA संरचनाओं के साथ और अधिक पैटर्न बनाए जा सकें, क्योंकि यह केवल पहला निर्मित नैनोस्कोपिक मोयर पैटर्न है।

स्रोत: Nature Nanotechnology

इन पैटर्नों के विकास पर अधिक नियंत्रण को आगे विकसित किया जा सकता है, और समाधान पहले ही शोधकर्ताओं द्वारा विचाराधीन हैं। उदाहरण के लिए, ओरिगामी बीज को नैनोफैब्रिकेशन विधियों का उपयोग करके सब्सट्रेट पर सटीक रूप से रखा जा सकता है। इस प्रकार, इसे चिप पर पूर्वनिर्धारित स्थानों पर असेंबल किया जा सकता है।

अनुप्रयोग

समग्र रूप से, स्व-सम्प्रेरित DNA लैटिस और नई प्रकार की सामग्री का यह निर्माण तकनीक उन सभी क्षेत्रों में लागू हो सकती है जहाँ नैनोस्केल पर सटीक निर्माण आवश्यक है।

यह मुख्यतः इसलिए है क्योंकि ये उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन, सटीक एड्रेसबिलिटी, और प्रोग्रामेबल सममिति का लगभग पूर्ण मिश्रण प्रदान करती हैं।

ऐसी संरचना का पहला अनुप्रयोग इसे नैनोस्कोपिक स्केल पर एक स्कैफ़ोल्ड के रूप में उपयोग करना होगा। उदाहरण के लिए, इसमें फ्लोरेसेंट अणु, धातु नैनोपार्टिकल या अर्धचालक को कस्टमाइज़्ड 2D और 3D आर्किटेक्चर में संलग्न किया जा सकता है।

एक अन्य विकल्प यह हो सकता है कि बहु-परत लैटिस को रासायनिक संशोधनों के माध्यम से कठोर फ्रेमवर्क में बदल दिया जाए।

फिर इन्हें फोनोंनिक क्रिस्टल या यांत्रिक मेटामटेरियल के रूप में पुनः उपयोग किया जा सकता है, जिनकी कंपन प्रतिक्रिया ट्यून करने योग्य होती है, और ऐसे सिस्टम सेंसर और फोटोनिक कंप्यूटिंग में कई संभावित अनुप्रयोग रखते हैं।

अंत में, ऐसे लैटिस में स्पिन-सेलेक्टिव इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट की विशेषताएँ हो सकती हैं, क्योंकि DNA को उनके स्पिन (एक क्वांटम विशेषता) के अनुसार इलेक्ट्रॉनों को फ़िल्टर करने के लिए जाना जाता है।

“यह क्वांटम सामग्री की नकल करने के बारे में नहीं है। यह डिज़ाइन स्पेस को विस्तारित करने और नीचे से ऊपर तक नई प्रकार की संरचित पदार्थ बनाने को संभव बनाने के बारे में है, जिसमें ज्यामितीय नियंत्रण सीधे अणुओं में एम्बेडेड होता है।”प्रो. लाउरा ना लियू – निदेशक द्वितीय भौतिक संस्थान स्टुटगार्ट विश्वविद्यालय

DNA और नैनोटेक में निवेश

Twist Biosciences

कंपनी DNA संश्लेषण में विशेषज्ञता रखती है, अर्धचालक उद्योग की मिनीएचराइजेशन विधियों का उपयोग करके, शोधकर्ताओं के लिए समय और धन बचाती है।

अपनी उन्नत DNA और RNA संश्लेषण क्षमता के साथ, यदि एंटी-क्लॉटिंग उत्पादों का बाजार बढ़ता है, तो Twist जल्दी ही एक प्रमुख एप्टामर निर्माता बन सकता है।

एक “न्यूट्रल” उत्पादक के रूप में, जो सर्वोत्तम कीमत पर सर्वोत्तम न्यूक्लिक एसिड अनुक्रम प्रदान करने पर केंद्रित है, यह किसी भी फार्मास्यूटिकल कंपनी के लिए पसंदीदा निर्माण साझेदार बन सकता है जो उपयोगी न्यूक्लिक एसिड, जैसे डेटा स्टोरेज या एंटी-क्लॉटिंग एप्टामर, को व्यावसायिक बनाना चाहती है।

जनवरी 2023 में, कंपनी ने अपने हाल ही में लॉन्च किए गए दूसरे निर्माण संयंत्र से उत्पादों की शिपिंग शुरू की। नया कारखाना Twist की उत्पादन क्षमता को दोगुना कर देगा।

यह DNA-आधारित डेटा स्टोरेज बनाने पर भी काम कर रहा है, जिसे डेटा को इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम से स्वतंत्र रूप से सुरक्षित रखने के लिए उपयोग किया जा सकता है। इसलिए संभवतः उन्नत डेटा स्टोरेज तकनीकें DNA स्वयं का उपयोग कर सकती हैं।

यह मिनीएचराइजेशन हमें प्रतिक्रिया आयतन को 1,000,000 गुना घटाने और थ्रूपुट को 1,000 गुना बढ़ाने की अनुमति देता है, जिससे एक ही सिलिकॉन चिप पर पूर्ण स्केल पर 9,600 जीन का संश्लेषण संभव हो जाता है।

स्रोत: Twist Biosciences

चूंकि कंपनी औद्योगिक उपयोग के लिए DNA उत्पादों के उत्पादन में विशेषज्ञ है, यह सेमीकंडक्टर, रासायनिक और कंप्यूटिंग उद्योग के लिए नैनोसंरचनाओं के निर्माण में DNA को एक प्रमुख उपकरण बनाते हुए बहुत लाभान्वित हो सकती है, चाहे वह ऑन-डिमांड DNA रसायन, DNA-आधारित डेटा स्टोरेज, DNA लैटिस आदि हों।

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उद्धृत अध्ययन

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