DNA מוירה לטיסים מאפשרים חומרים עצמיים חדשים

חומרים מטא-גריד

חזית חדשה במדעי החומרים היא הרכבה של מבנים מיקרוסקופיים בגרידים, מבנים מורכבים עם דפוס רגיל וחוזר, לעיתים קרובות עשויים מפסים מצטלבים או קווים.

מבנים אלה לעיתים קרובות משנים לחלוטין את התכונות של חומר, למשל, הופך אותו חזק הרבה יותר, גמיש יותר, מחזיר אור אחרת, וכו’.

אלה גרידים יכולים להיות בצורות בסיסיות שונות, למשל, ריבועים, תלתלית דבורים, קאגומה, וכו’.

מקור: Research Gate

אפשרות נוספת היא לשלב 2 שכבות של חומרי גריד, וליצור תכונות מתקדמות עוד יותר, שעוברות מעבר לפוטנציאל של השכבות היחידות. למשל, דנו בפוטנציאל העל-מוליכי של שכבה מסובבת העשויה מחומר טונגסטן-סלניום.

סוג חדש של חומר כזה נמצא על ידי חוקרים באוניברסיטת שטוטגרט, אוניברסיטת אריזונה, ומכון מקס פלאנק.

הם יצרו מבנה עצמי-בונה באמצעות מולקולות DNA, שיכול למהפכן את הדרך שבה אנו שולטים על אור, קול ואלקטרונים. הם פרסמו את תוצאותיהם בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Nanotechnology¹, תחת הכותרת “DNA מוירה סופר-גריד”.

סופר-גריד מוירה

סופר-גריד מוירה הם חומרים מלאכותיים שנוצרים על ידי סידור שכבות דו-ממדיות (2D) עם זווית סיבוב קטנה או הבדל בגריד.

מקור: Nature Nanotechnology

הבדל זה יוצר “על-דפוס” נוסף, הנקרא גם מוירה, שונה מהדפוס היסודי של 2 הגרידים. האינטראקציה של אור או אלקטרונים עם המוירה נותנת תכונות חדשות לחומר.

עד עכשיו, מוירה במדעי החומרים נבנו רק ב-2 סולם שונה: האטומי, כמו למשל עם שכבות גרפן (מאה מיליוןית של סנטימטר, או 0.1 ננומטר), או בסולם המיקרוסקופי (אלףית של מטר).

מקור: Nature Nanotechnology

מוצרים אלה בדרך כלל מורכבים מאוד לייצור, ודורשים צעדים מדויקים של ייצור, כגון העברה, סידור, סיבוב והתאמה של תת-גרידים.

אולם, לא היו מוירה סופר-גריד בסולם ביניים, שנמדד בננומטרים. עד שחוקרים אלה השתמשו ב-DNA כדי ליצור אחד.

DNA סופר-גריד

DNA הוא סוג מיוחד של מולקולה קטנה, שיש לו נטייה טבעית להתארגן בדפוסים מורכבים בסולם הננו. אחד מהמבנים היא חבילת DNA אוריגמי, המורכבת מהליקסים של DNA מחוברים, שהיווה אחד מהבלוקים הבונים ששימשו את החוקרים.

מקור: Nature Nanotechnology

הבלוק הבונה השני היה גרידים דו-ממדיים של DNA, המורכבים מקווצים בודדים (SSTs), בצורות ריבוע, תלתלית דבורים, וקאגומה. מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM) שימשו לבדוק את הסדירות ואיכות המבנים הגריד.

מקור: Nature Nanotechnology

החוקרים השתמשו בחבילת DNA אוריגמי כ”זרע”, סביבו גריד גדול יותר יכול להתארגן באופן טבעי. “זרעים” שונים יוצרים סוגים שונים של גריד DNA, מה שמאפשר שליטה גדולה על הצורה הסופית.

מקור: Nature Nanotechnology

כאשר הופקו, הרבה מאלה גרידים התערבבו, ויצרו גריד בילייר העשוי ממולקולות DNA. תנאי ייצור שונים, עם וריאציות של “זרעים” וטמפרטורה, מאפשרים שליטה מוגבלת על החלק של גריד בילייר מול גריד מונו-לייר.

מקור: Nature Nanotechnology

ניתוח DNA בילייר וטרילייר

באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM), החוקרים בדקו את המבנים הננוסקופיים האלה.

שתי המונו-שכבות מודדות ~39.0 ננומטר בגובה וסביב סנטימטר ברוחב.

מקור: Nature Nanotechnology

כאשר הביליירים המסובבים השתמשו בתת-גרידים זהים (ריבוע-ריבוע, קאגומה-קאגומה, ותלתלית-תלתלית), זה תוצא בחפיפה כמעט מושלמת (אך לא מוחלטת) של שתי המונו-שכבות.

אלה היו הצירופים שהניבו את המוירה המעניינים ביותר עבור ביליירים, לעומת הדפוסים המעורבים.

מקור: Nature Nanotechnology

החוקרים אפילו הצליחו ליצור דפוסים טרילייר, עם מוירה מורכבים עוד יותר, שגם הם עצמי-בונים.

מקור: Nature Nanotechnology

זה לא אומר שלא היו שכבות מעורבות שהציגו דפוסים מעניינים, עם, למשל, ריבוע-קאגומה-ריבוע טרילייר. כנראה שניתן ליצור עוד דפוסים עם “זרעים” ומבנים DNA שונים, כי זהו רק הדפוס הננוסקופי הראשון שנוצר אי פעם.

מקור: Nature Nanotechnology

ניתן לפתח שליטה רבה יותר על התפתחות הדפוסים האלה, ופתרונות כבר מועלים על ידי החוקרים. למשל, “זרע” האוריגמי יכול להיות ממוקם בדיוק על סאבסטרטים, באמצעות שיטות נאנו-יצור. כך, הוא יכול להרכיב במיקומים מוגדרים מראש על השבב.

יישומים

בסך הכל, טכנולוגיית הייצור של גרידים עצמי-בונים של DNA וסוג חדש של חומר יכול למצוא יישום בכל תחום הדורש ייצור מדויק בסולם הננו.

זה בחלקו הוא בגלל שהם מספקים תערובת כמעט מושלמת של רזולוציה מרחבית גבוהה, כתובת מדויקת, וסימטריה תכניתית.

היישום הראשון של מבנה כזה יהיה להשתמש בו כשלדה בסולם הננו. למשל, הוא יכול להיות מחובר למולקולות פלואורסצנט, ננו-חלקיקים מתכתיים, או סמיקונדוקטורים בארכיטקטורות 2D ו-3D מותאמות.

אפשרות אחרת יכולה להיות להפוך את הגרידים הרב-שכבתיים למסגרות קשיחות דרך מודיפיקציות כימיות.

אז הם יכולים לשמש כגבישים פונוניים או חומרים מטא-מכניים עם תגובות תנודות מתואמות, עם מערכות רבות שיש להן יישומים פוטנציאליים בחיישנים ובחישוב פוטוני.

לבסוף, גרידים כאלה יכולים להיות בעלי תכונות של תחבורה סלקטיבית של אלקטרונים, כי DNA ידוע כמסנן אלקטרונים לפי ספין (תכונה קוונטית).

“זה לא על מימון חומרים קוונטיים. זה על הרחבת מרחב העיצוב והפיכתו לאפשרי לבנות סוגים חדשים של חומר מובנה מלמטה, עם שליטה גאומטרית מובנית ישירות לתוך המולקולות.”

פרופ’ לורה נה ליו – מנהל מכון הפיזיקה השני של אוניברסיטת שטוטגרט

השקעה ב-DNA & נאנו-טכנולוגיה

Twist Biosciences

החברה מתמחה בסינתזה של DNA, באמצעות שיטות מיניאטוריזציה מתעשיית המוליכים למחצה, וחוסכת זמן וכסף לחוקרים.

עם יכולת הסינתזה המתקדמת של DNA ו-RNA, Twist יכול להפוך ליצרן מוביל של אפטמרים, אם השוק למוצרים אנטי-קרישה יגדל.

כ”יצרן נייטרלי” המתמקד בספקת הרצפים הנוקליאוטידים הטובים ביותר במחיר הטוב ביותר, הוא יכול להיות שותף לייצור של כל חברה תרופותית המעוניינת לשווק נוקליאוטידים שימושיים, כגון אחסון נתונים או אפטמרים אנטי-קרישה.

בינואר 2023, החברה החלה לשלוח מוצרים ממפעל הייצור השני שהושק. המפעל החדש אמור לכפול את יכולות הייצור של Twist.

היא גם עובדת על אחסון נתונים ב-DNA שיכול לשמש להגן על נתונים, באופן עצמאי ממערכות אלקטרוניות. כך, טכנולוגיות אחסון נתונים מתקדמות יכולות להשתמש ב-DNA עצמו.

המיניאטוריזציה הזו מאפשרת לנו להקטין את נפח התגובה בפקטור של 1,000,000, תוך הגדלת הקצב בפקטור של 1,000, ואיפשור סינתזה של 9,600 גנים על שבב סיליקון יחיד בקנה מידה מלא.

מקור: Twist Biosciences

כיוון שהחברה היא מומחית בייצור מוצרי DNA לשימוש תעשייתי, היא יכולה להרוויח רבות מהפיכת DNA לכלי מרכזי בבניית מבנים ננו לתעשיית המוליכים למחצה, הכימית, והמחשוב, בין אם מדובר בחומרים DNA, אחסון נתונים ב-DNA, גריד DNA, וכו’.

חדשות ופיתוחים אחרונים של Twist Biosciences (TWST)

מחקר מצוטט

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