Lattice Moiré DNA Memungkinkan Material Baru yang Menyusun Sendiri

Metamaterial Kisi

Sebuah frontier baru dalam ilmu material adalah perakitan struktur mikroskopik dalam kisi, struktur kompleks dengan pola berulang yang teratur, sering terbuat dari strip atau garis yang bersilangan.

Struktur‑struktur ini sering mengubah total sifat material, misalnya membuatnya jauh lebih kuat, lebih fleksibel, memantulkan cahaya secara berbeda, dll.

Kisi‑kisi ini dapat memiliki bentuk dasar yang berbeda, misalnya persegi, sarang lebah heksagonal, kagome, dll.

Sumber: Research Gate

Sebuah kemungkinan tambahan adalah menggabungkan 2 lapisan material kisi, menciptakan properti yang jauh lebih maju melampaui potensi masing‑masing lapisan. Misalnya, kami membahas potensi sifat superkonduktif dari bilayer berputar yang terbuat dari material tungsten‑selenium.

Jenis material serupa yang baru saja ditemukan oleh peneliti di Universitas Stuttgart, Arizona State University, dan Max Planck Institute.

Mereka menciptakan struktur yang membangun sendiri menggunakan molekul DNA yang dapat merevolusi cara kita mengendalikan cahaya, suara, dan elektron. Mereka mempublikasikan hasilnya di jurnal ilmiah bergengsi Nature Nanotechnology¹, dengan judul “DNA moiré superlattices”.

Superlattice Moiré

Superlattice Moiré adalah material buatan yang diciptakan dengan menumpuk material dua‑dimensi (2D) dengan sudut putar kecil atau ketidaksesuaian kisi.

Sumber: Nature Nanotechnology

Ketidaksesuaian ini menciptakan “pola super” tambahan, yang juga disebut pola moiré, berbeda dari pola elementer dari dua kisi awal. Interaksi cahaya atau elektron dengan pola moiré memberikan properti baru pada material ini.

Sejauh ini, pola moiré dalam ilmu material hanya dibangun pada 2 skala yang sangat berbeda: baik pada skala atomik, misalnya dengan lapisan graphene (sepersepuluh miliar sentimeter, atau 0,1 nanometer), atau pada skala mikroskopik (seperseribu meter).

Sumber: Nature Nanotechnology

Produk‑produk ini umumnya sangat kompleks untuk diproduksi, memerlukan langkah‑langkah fabrikasi yang teliti, seperti transfer, penumpukan, pemutaran, dan penyelarasan subkisi.

Namun, tidak ada superlattice moiré pada skala menengah, yang dihitung dalam nanometer. Hal ini berubah ketika para peneliti menggunakan DNA untuk membuatnya.

Superlattice DNA

DNA adalah molekul kecil yang sangat khusus, karena memiliki kecenderungan alami untuk mengatur diri menjadi pola kompleks pada skala nano. Salah satu struktur tersebut adalah bundel DNA origami, yang terdiri dari heliks DNA yang saling terhubung, dan menjadi salah satu blok bangunan yang digunakan oleh peneliti.

Sumber: Nature Nanotechnology

Blok bangunan kedua adalah subkisi ubin DNA 2D, yang terdiri dari ubin untai tunggal (SST), berbentuk persegi, sarang lebah heksagonal, dan pola kagome. Mikroskop elektron transmisi (TEM) digunakan untuk memeriksa keteraturan dan kualitas struktur kisi.

Sumber: Nature Nanotechnology

Para peneliti menggunakan bundel DNA origami sebagai “benih”, di sekitar mana lattice yang jauh lebih besar dapat secara alami menyusun diri. Benih yang berbeda menghasilkan tipe lattice DNA yang berbeda, memungkinkan kontrol besar atas bentuk akhir.

Sumber: Nature Nanotechnology

Ketika diproduksi, banyak lattice ini bercampur, membentuk lattice bilayer yang terbuat dari molekul DNA. Kondisi produksi yang berbeda, dengan variasi benih dan suhu, memungkinkan kontrol terbatas atas proporsi lattice bilayer versus monolayer yang dihasilkan.

Sumber: Nature Nanotechnology

Menganalisis Bilayer dan Trilayer DNA

Dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM), para peneliti menganalisis struktur nanoskopik bilayer ini.

Kedua monolayer memiliki tinggi sekitar ~39,0 nm dan lebar sekitar satu mikrometer.

Sumber: Nature Nanotechnology

Ketika bilayer berputar menggunakan subkisi identik (persegi‑persegi, kagome‑kagome, dan honeycomb‑honeycomb), terjadi tumpang‑tindih hampir lengkap (tetapi tidak total) antara dua monolayer.

Inilah kombinasi yang menghasilkan pola moiré paling menarik untuk bilayer, dibandingkan dengan pola campuran.

Sumber: Nature Nanotechnology

Para peneliti bahkan berhasil menciptakan pola trilayer, dengan pola moiré yang lebih kompleks, yang juga menyusun sendiri.

Sumber: Nature Nanotechnology

Ini bukan berarti tidak ada lapisan campuran yang menampilkan pola menarik, misalnya trilayer persegi‑kagome‑persegi. Kemungkinan pola lain juga dapat dibuat di masa depan dengan benih dan struktur DNA yang berbeda, karena ini adalah pola moiré nanoskopik pertama yang pernah dibuat.

Sumber: Nature Nanotechnology

Kontrol lebih lanjut atas pengembangan pola‑pola ini dapat ditingkatkan, dan solusi sudah dipertimbangkan oleh para peneliti. Misalnya, benih origami dapat ditempatkan secara presisi pada substrat, menggunakan metode nanofabrikasi. Dengan cara ini, ia dapat dirakit pada lokasi‑lokasi yang telah ditentukan di atas chip.

Aplikasi

Secara keseluruhan, teknologi manufaktur lattice DNA yang menyusun sendiri dan jenis material baru ini dapat menemukan aplikasi di bidang apa pun yang memerlukan pembuatan presisi pada skala nano.

Hal ini terutama karena mereka menyediakan kombinasi hampir sempurna antara resolusi spasial tinggi, alamatabilitas presisi, dan simetri yang dapat diprogram.

Aplikasi pertama dari struktur semacam ini adalah menggunakannya sebagai kerangka pada skala nanoskopik. Misalnya, dapat dilengkapi dengan molekul fluoresen, nanopartikel logam, atau semikonduktor dalam arsitektur 2D dan 3D yang disesuaikan.

Opsi lain adalah menjadikan lattice berlapis‑lapis menjadi kerangka kaku melalui modifikasi kimia.

Mereka kemudian dapat diubah menjadi kristal fononik atau metamaterial mekanik dengan respons vibrasi yang dapat disetel, dengan sistem semacam itu memiliki banyak potensi aplikasi dalam sensor dan komputasi fotonik.

Terakhir, lattice semacam ini dapat memiliki sifat transport elektron selektif spin, karena DNA dikenal menyaring elektron menurut spin‑nya (karakteristik kuantum).

“Ini bukan tentang meniru material kuantum. Ini tentang memperluas ruang desain dan memungkinkan pembuatan jenis materi terstruktur baru dari bawah ke atas, dengan kontrol geometris yang tertanam langsung ke dalam molekul.”

Pr. Laura Na Liu – Director of the 2nd Physics Institute of Stuttgart University

Berinvestasi dalam DNA & Nanotek

Twist Biosciences

Perusahaan ini mengkhususkan diri dalam sintesis DNA, memanfaatkan metode miniaturisasi dari industri semikonduktor, menghemat waktu dan biaya bagi peneliti.

Dengan kemampuan sintesis DNA dan RNA yang canggih, Twist dapat dengan cepat menjadi produsen aptamer utama jika pasar produk anti‑pembekuan berkembang.

Sebagai produsen “netral” yang fokus menyediakan urutan asam nukleat terbaik dengan harga terbaik, ia dapat menjadi mitra manufaktur pilihan bagi perusahaan farmasi mana pun yang ingin mengkomersialkan asam nukleat berguna, seperti penyimpanan data atau aptamer anti‑pembekuan.

Pada Januari 2023, perusahaan mulai mengirimkan produk dari instalasi manufaktur kedua yang baru diluncurkan. Pabrik baru ini diharapkan menggandakan kapasitas produksi Twist.

Ia juga sedang mengembangkan penyimpanan data berbasis DNA yang dapat digunakan untuk melindungi data, terlepas dari sistem elektronik. Jadi mungkin teknologi penyimpanan data canggih dapat menggunakan DNA itu sendiri.

Miniaturisasi ini memungkinkan kami mengurangi volume reaksi hingga faktor 1.000.000 sambil meningkatkan throughput hingga faktor 1.000, memungkinkan sintesis 9.600 gen pada satu chip silikon secara penuh.

Sumber: Twist Biosciences

Sebagai perusahaan yang ahli dalam memproduksi produk DNA untuk penggunaan industri, ia dapat sangat diuntungkan ketika DNA menjadi alat kunci dalam membangun nanostruktur untuk industri semikonduktor, kimia, dan komputasi, baik berupa bahan kimia DNA on‑demand, penyimpanan data berbasis DNA, lattice DNA, dll.

Berita dan Perkembangan Saham Twist Biosciences (TWST) Terbaru

Studi Dirujuk

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