I reticoli moiré del DNA consentono nuovi materiali autoassemblanti

Metamateriali reticolari

Una nuova frontiera nelle scienze dei materiali è l'assemblaggio di strutture microscopiche in reticoli, strutture complesse con uno schema regolare e ripetuto, spesso costituito da strisce o linee incrociate.

Queste strutture spesso cambiano completamente le proprietà di un materiale, ad esempio rendendolo molto più forte, più flessibile, riflettere la luce in modo diverso, ecc.

Questi reticoli possono avere diverse forme di base, ad esempio quadrati, esagonali a nido d'ape, kagome, ecc.

Fonte: Sportello di ricerca

Un'ulteriore possibilità è quella di combinare 2 strati di materiali reticolari, creando proprietà ancora più avanzate che vanno ben oltre il potenziale dei singoli strati. Ad esempio, abbiamo discusso le potenziali proprietà superconduttive di un doppio strato intrecciato costituito da un materiale di tungsteno-selenio.

Un nuovo tipo di materiale simile è stato ora inventato dai ricercatori dell'Università di Stoccarda, dell'Università statale dell'Arizona e del Max Planck Institute.

Hanno creato una struttura autocostruttiva utilizzando molecole di DNA che potrebbe rivoluzionare il modo in cui controlliamo luce, suono ed elettroni. Hanno pubblicato i loro risultati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Nanotechnology.¹, sotto il titolo “Superreticoli moiré del DNA".

Superreticoli Moiré

I superreticoli moiré sono materiali artificiali creati impilando materiali bidimensionali (2D) con un piccolo angolo di torsione o una discrepanza nel reticolo.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Questa discrepanza crea un ulteriore "super pattern", chiamato anche moiré, diverso dal pattern elementare dei due reticoli iniziali. Le interazioni della luce o degli elettroni con il moiré conferiscono nuove proprietà a questo materiale.

Finora, gli effetti moiré nella scienza dei materiali erano stati costruiti solo su due scale radicalmente diverse: o su scala atomica, come ad esempio con gli strati di grafene (un centomilionesimo di centimetro, o 2 nanometro), o su scala microscopica (un millesimo di metro).

Fonte: Natura Nanotecnologia

Questi prodotti sono generalmente molto complessi da produrre e richiedono fasi di fabbricazione meticolose, come il trasferimento, l'impilamento, la torsione e l'allineamento dei sottoreticoli.

Tuttavia, non esistevano superreticoli moiré a una scala intermedia, misurata in nanometri. Questo finché questi ricercatori non hanno usato il DNA per crearne uno.

Superreticoli di DNA

Il DNA è un tipo molto speciale di piccola molecola, poiché ha una naturale tendenza ad auto-organizzarsi in strutture complesse su scala nanometrica. Una di queste strutture è il cosiddetto "fascio origami" di DNA, composto da eliche di DNA interconnesse, che ha costituito uno degli elementi costitutivi utilizzati dai ricercatori.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Il secondo elemento fondamentale erano i sottoreticoli bidimensionali delle tessere di DNA, composti da tessere a singolo filamento (SST) di forma quadrata, esagonale a nido d'ape e kagome. Microscopi elettronici a trasmissione (TEM) sono stati utilizzati per verificare la regolarità e la qualità delle strutture reticolari.

Fonte: Natura Nanotecnologia

I ricercatori hanno utilizzato il fascio di DNA origami come un "seme", attorno al quale un reticolo molto più grande poteva auto-organizzarsi naturalmente. Semi diversi creano diversi tipi di reticolo di DNA, consentendo un ampio controllo sulla forma finale.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Una volta prodotti, molti di questi reticoli si sono mescolati, creando un reticolo a doppio strato composto da molecole di DNA. Diverse condizioni di produzione, con variazioni dei semi e della temperatura, consentono un controllo limitato sulla porzione di reticolo a doppio strato prodotta rispetto a quella monostrato.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Analisi dei doppi e tripli strati del DNA

Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), i ricercatori hanno continuato ad analizzare queste strutture nanoscopiche a doppio strato.

Entrambi i monostrati misurano circa 39.0 nm di altezza e circa un micrometro di larghezza.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Quando i doppi strati intrecciati utilizzavano sottoreticoli identici (quadrato-quadrato, kagome-kagome e nido d'ape-nido d'ape), si otteneva una sovrapposizione quasi completa (ma non totale) dei due monostrati.

Queste sono le combinazioni che hanno prodotto i motivi moiré più interessanti per i tessuti a doppio strato, rispetto ai motivi misti.

Fonte: Natura Nanotecnologia

I ricercatori sono addirittura riusciti a creare modelli a tre strati, con effetti moiré ancora più complessi, anch'essi autoassemblanti.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Questo non vuol dire che nessuno strato misto non abbia mostrato pattern interessanti, come ad esempio il tristrato quadrato-kagome-quadrato. È anche probabile che in futuro si possano creare altri pattern con semi e strutture di DNA diversi, poiché questo è solo il primo pattern moiré nanoscopico mai creato.

Fonte: Natura Nanotecnologia

È possibile sviluppare ulteriormente un maggiore controllo sullo sviluppo di questi pattern e i ricercatori stanno già prendendo in considerazione soluzioni specifiche. Ad esempio, il seme origami può essere posizionato con precisione sui substrati utilizzando metodi di nanofabbricazione. In questo modo, potrebbe essere assemblato in posizioni predefinite sul chip.

Applicazioni

Nel complesso, questa tecnologia di produzione di reticoli di DNA autoassemblanti e un nuovo tipo di materiale potrebbero trovare applicazione in qualsiasi campo che richieda una produzione precisa su scala nanometrica.

Ciò è dovuto in gran parte al fatto che forniscono una combinazione pressoché perfetta di elevata risoluzione spaziale, indirizzabilità precisa e simmetria programmabile.

La prima applicazione di una struttura di questo tipo sarebbe quella di utilizzarla come impalcatura su scala nanoscopica. Ad esempio, potrebbe essere dotata di molecole fluorescenti, nanoparticelle metalliche o semiconduttori in architetture 2D e 3D personalizzate.

Un'altra opzione potrebbe essere quella di trasformare i reticoli multistrato in strutture rigide attraverso modifiche chimiche.

Potrebbero quindi essere riutilizzati come cristalli fononici o metamateriali meccanici con risposte vibrazionali sintonizzabili, sistemi con molte potenziali applicazioni nei sensori e nell'informatica fotonica.

Infine, tali reticoli potrebbero avere proprietà di trasporto di elettroni selettivo in base allo spin, poiché è noto che il DNA filtra gli elettroni in base al loro spin (una caratteristica quantistica).

"Non si tratta di imitare i materiali quantistici. Si tratta di ampliare lo spazio di progettazione e rendere possibile la costruzione di nuovi tipi di materia strutturata dal basso verso l'alto, con il controllo geometrico incorporato direttamente nelle molecole."

prof. Laura Na Liu - Direttore di 2° Istituto di Fisica dell'Università di Stoccarda

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Twist Bioscienze

L'azienda è specializzata nella sintesi del DNA, sfruttando i metodi di miniaturizzazione dell’industria dei semiconduttori, facendo risparmiare tempo e denaro ai ricercatori.

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In quanto produttore “neutrale” focalizzato sulla fornitura delle migliori sequenze di acidi nucleici al miglior prezzo, potrebbe essere un partner di produzione di scelta per qualsiasi azienda farmaceutica che cerchi di commercializzare acidi nucleici utili, come l’archiviazione dei dati o aptameri anticoagulanti.

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Si sta lavorando anche sulla creazione Archiviazione dei dati basata sul DNA che potrebbe essere utilizzato per proteggere i dati, indipendentemente dai sistemi elettronici. Quindi forse le tecnologie avanzate di archiviazione dati potrebbero utilizzare il DNA stesso.

Questa miniaturizzazione ci consente di ridurre i volumi di reazione di un fattore di 1,000,000 aumentando al contempo la produttività di un fattore di 1,000, consentendo la sintesi di 9,600 geni su un singolo chip di silicio su vasta scala.

Fonte: Twist Bioscienze

Poiché l'azienda è esperta nella produzione di prodotti a base di DNA per uso industriale, potrebbe trarre grandi vantaggi dal fatto che il DNA diventi uno strumento chiave nella creazione di nanostrutture per l'industria dei semiconduttori, chimica e informatica, che si tratti di prodotti chimici a base di DNA su richiesta, archiviazione di dati basata su DNA, reticoli di DNA, ecc.

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Studio referenziato

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