Scienza dei materiali

Le Lattice Moiré di DNA consentono nuovi materiali autoassemblanti

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Metamateriali a reticolo

Una nuova frontiera nelle scienze dei materiali è l’assemblaggio di strutture microscopiche in reticoli, strutture complesse con un modello regolare e ripetuto, spesso realizzate con strisce o linee incrociate.

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

Questi reticoli possono avere diverse forme di base, ad esempio quadrati, nido d’ape esagonale, kagome, ecc.

Un’ulteriore possibilità è combinare 2 strati di materiali a reticolo, creando proprietà ancora più avanzate che vanno ben oltre il potenziale dei singoli strati. Ad esempio, abbiamo discusso le potenziali proprietà superconduttive di un bilayer attorcigliato realizzato con un materiale di tungsteno-selenio.

Un nuovo tipo simile di materiale è stato ora inventato da ricercatori dell’Università di Stoccarda, dell’Arizona State University e del Max Planck Institute.

Hanno creato una struttura auto-costruita usando molecole di DNA che potrebbe rivoluzionare il modo in cui controlliamo luce, suono ed elettroni. Hanno pubblicato i loro risultati nella prestigiosa rivista scientifica Nature Nanotechnology1, con il titolo “DNA moiré superlattices”.

Superreticoli Moiré

Scala Esempio di materiale Dimensione approssimativa Metodo di assemblaggio
Atomico Bilayer di grafene ~0.1 nm Impilamento meccanico e torsione
Nanoscopico Superreticoli Moiré di DNA ~40 nm Origami di DNA autoassemblante
Microscopico Cristalli fotonici ~1 µm Fabbricazione di precisione

I superreticoli Moiré sono materiali artificiali creati impilando materiali bidimensionali (2D) con un piccolo angolo di torsione o un disallineamento di reticolo.

Questo disallineamento crea un “super pattern” aggiuntivo, chiamato anche pattern Moiré, diverso dal pattern elementare dei due reticoli iniziali. Le interazioni di luce o elettroni con il pattern Moiré conferiscono nuove proprietà a questo materiale.

Finora, i pattern Moiré nella scienza dei materiali erano stati costruiti solo a 2 scale radicalmente diverse: o a scala atomica, ad esempio con i layer di grafene (un centesimo di milionesimo di centimetro, o 0,1 nanometro), o a scala microscopica (un millesimo di metro).

Questi prodotti sono generalmente molto complessi da produrre, richiedendo passaggi di fabbricazione meticolosi, come il trasferimento, l’impilamento, la torsione e l’allineamento dei sottoreticoli.

Tuttavia, non esistevano superreticoli Moiré a una scala intermedia, conteggiata in nanometri. Questo è cambiato quando questi ricercatori hanno usato il DNA per crearne uno.

Superreticoli di DNA

Il DNA è un tipo molto speciale di piccola molecola, poiché ha una tendenza naturale ad auto‑organizzarsi in pattern complessi a scala nanometrica. Una di queste strutture è un fascio di origami di DNA, composto da eliche di DNA interconnesse, che ha costituito uno dei blocchi costitutivi usati dai ricercatori.

Il secondo blocco costitutivo era il sottoreticolo di piastrelle 2D di DNA, composto da piastrelle a singolo filamento (SST), di forma quadrata, nido d’ape esagonale e kagome. I microscopi elettronici a trasmissione (TEM) sono stati usati per verificare la regolarità e la qualità delle strutture reticolari.

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

Quando prodotti, molti di questi reticoli si mescolavano, creando un reticolo bilayer costituito da molecole di DNA. Diverse condizioni di produzione, con variazioni dei semi e della temperatura, consentono un controllo limitato della proporzione di reticoli bilayer rispetto a quelli monolayer prodotti.

Analisi di bilayer e trilayer di DNA

Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), i ricercatori hanno analizzato queste strutture nanoscopiche a bilayer.

Entrambi i monolayer misurano ~39,0 nm di altezza e circa un micrometro di larghezza.

Quando i bilayer attorcigliati usavano sottoreticoli identici (quadrato–quadrato, kagome–kagome e nido d’ape–nido d’ape), si otteneva una quasi completa (ma non totale) sovrapposizione dei due monolayer.

Queste erano le combinazioni che producevano i pattern Moiré più interessanti per i bilayer, rispetto ai pattern misti.

I ricercatori sono riusciti persino a creare pattern trilayer, con pattern Moiré ancora più complessi, che sono anch’essi auto‑assemblanti.

Ciò non significa che gli strati misti non mostrino pattern interessanti, ad esempio il trilayer quadrato‑kagome‑quadrato. È anche probabile che in futuro possano essere creati più pattern con semi e strutture di DNA diversi, poiché questo è solo il primo pattern Moiré nanoscopico mai creato.

 

Un maggiore controllo sullo sviluppo di questi pattern può essere ulteriormente sviluppato, e le soluzioni sono già in fase di valutazione da parte dei ricercatori. Ad esempio, il seme di origami può essere posizionato con precisione sui substrati, usando 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 auto‑assemblanti e di un nuovo tipo di materiale potrebbe trovare applicazione in qualsiasi settore che richieda una fabbricazione precisa a scala nanometrica.

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

La prima applicazione di una tale struttura sarebbe usarla come impalcatura a scala nanoscopica. Ad esempio, potrebbero essere attaccate a essa molecole fluorescenti, nanoparticelle metalliche o semiconduttori in architetture 2D e 3D personalizzate.

Un’altra opzione potrebbe essere trasformare i reticoli multistrato in telai rigidi tramite modifiche chimiche.

Questi potrebbero poi essere riutilizzati come cristalli fononici o metamateriali meccanici con risposte vibrazionali sintonizzabili, sistemi con molte potenziali applicazioni in sensori e calcolo fotonico.

Infine, tali reticoli potrebbero possedere proprietà di trasporto elettronico selettivo per spin, poiché il DNA è noto per filtrare 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 costruire nuovi tipi di materia strutturata dal basso verso l’alto, con il controllo geometrico incorporato direttamente nelle molecole.”

Prof. Laura Na Liu – Direttore del 2° Istituto di Fisica dell’Università di Stoccarda

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Twist Biosciences

(TWST )

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Poiché l’azienda è esperta nella produzione di prodotti di DNA per uso industriale, potrebbe trarre grande beneficio dal fatto che il DNA stia diventando uno strumento chiave per costruire nanostrutture per l’industria dei semiconduttori, chimica e informatica, sia come prodotti chimici di DNA su richiesta, storage di dati basato su DNA, reticoli di DNA, ecc.

Ultime notizie e sviluppi azionari di Twist Biosciences (TWST)

Studio di riferimento

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

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Jonathan è un ex ricercatore di biochimica che ha lavorato nell'analisi genetica e nei trial clinici. Ora è un analista di mercato e scrittore di finanza con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione The Eurasian Century.