Materiaalkunde

DNA-Moiré-latices maken nieuwe zelf-assemblerende materialen mogelijk

mm
Gepubliceerd op
Bijgewerkt op
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

Lattice-metamaterialen

Een nieuw grensgebied in de materiaalkunde is de assemblage van microscopische structuren in latices, complexe structuren met een regelmatig, herhalend patroon, vaak gemaakt van gekruiste stroken of lijnen.

Deze structuren veranderen vaak volledig de eigenschappen van een materiaal, bijvoorbeeld door het veel sterker, flexibeler, licht anders reflecterend, enz.

Deze latices kunnen verschillende basisvormen hebben, bijvoorbeeld vierkanten, hexagonale honingraat, kagome, enz.

Een extra mogelijkheid is het combineren van 2 lagen lattice‑materialen, waardoor nog geavanceerdere eigenschappen ontstaan die ver buiten het potentieel van de individuele lagen liggen. Bijvoorbeeld, we bespraken de potentiële supergeleidende eigenschappen van een gedraaide bilayer gemaakt van een wolfraam‑selenium‑materiaal.

Een nieuw soort materiaal van vergelijkbare aard is nu uitgevonden door onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart, Arizona State University en het Max‑Planck‑Instituut.

Ze creëerden een zelf‑bouwende structuur met DNA‑moleculen die de manier waarop we licht, geluid en elektronen beheersen kan revolutioneren. Ze publiceerden hun resultaten in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology1, onder de titel “DNA moiré superlattices”.

Moiré-superlatices

Schaal Materiaalvoorbeeld Geschatte grootte Assemblagemethode
Atomair graphenbilayers ~0.1 nm Mechanische stapeling en draaiing
Nanoscopisch DNA moiré superlattices ~40 nm Zelf‑assemblerende DNA‑origami
Microscopisch fotonicacrystallen ~1 µm Precisiefabricage

Moiré-superlatices zijn kunstmatige materialen die worden gecreëerd door twee‑dimensionale (2D) materialen te stapelen met een kleine draaihoek of lattice‑mismatch.

Deze mismatch creëert een extra “superpatroon”, ook wel moiré‑patroon genoemd, dat verschilt van het elementaire patroon van de twee oorspronkelijke latices. De interacties van licht of elektronen met het moiré‑patroon geven dit materiaal nieuwe eigenschappen.

Tot nu toe waren moiré‑patronen in de materiaalkunde alleen geconstrueerd op twee radicaal verschillende schalen: ofwel op atomische schaal, bijvoorbeeld met graphenlagen (een honderd‑miljoenste van een centimeter, of 0,1 nanometer), ofwel op microscopische schaal (een duizendste van een meter).

Deze producten zijn over het algemeen zeer complex om te produceren, en vereisen nauwgezette fabricatiestappen, zoals het overbrengen, stapelen, draaien en uitlijnen van sublatices.

Er bestonden echter geen moiré‑superlatices op een tussenliggende schaal, gemeten in nanometers. Dat veranderde toen deze onderzoekers DNA gebruikten om er één te creëren.

DNA-superlatices

DNA is een zeer speciaal type klein molecuul, omdat het van nature de neiging heeft zich zelf te organiseren in complexe patronen op de nanoschaal. Een van die structuren is een DNA‑origami‑bundel, samengesteld uit onderling verbonden DNA‑helixen, die een van de bouwblokken vormde die de onderzoekers gebruikten.

Het tweede bouwblok waren de 2D DNA‑tegel‑sublatices, samengesteld uit enkelstrengs‑tegels (SST’s) in vierkanten, hexagonale honingraat en kagome‑vormen. Transmission electron microscopes (TEM) werden gebruikt om de regelmaat en kwaliteit van de lattice‑structuren te controleren.

De onderzoekers gebruikten de DNA‑origami‑bundel als een “zaad”, rondom welke een veel grotere lattice zich natuurlijk kon zelf‑organiseren. Verschillende zaden creëren verschillende typen DNA‑lattice, waardoor er grote controle over de uiteindelijke vorm mogelijk is.

Wanneer ze werden geproduceerd, mengden veel van deze latices zich, waardoor een bilayer‑lattice van DNA‑moleculen ontstond. Verschillende productieve omstandigheden, met variaties in de zaden en temperatuur, geven een beperkte controle over de verhouding tussen bilayer‑ en monolayer‑latices die worden geproduceerd.

Analyseren van DNA-bilayers en trilayers

Met behulp van scanning electron microscopy (SEM) analyseerden de onderzoekers deze bilayer‑nanoscopische structuren.

Beide monolayers meten ~39,0 nm in hoogte en ongeveer een micrometer in breedte.

Wanneer de gedraaide bilayers identieke sublatices gebruikten (vierkant‑vierkant, kagome‑kagome en honingraat‑honningraat), resulteerde dit in een bijna volledige (maar niet totale) overlapping van de twee monolayers.

Dit waren de combinaties die de meest interessante moiré‑patronen voor bilayers opleverden, vergeleken met de gemengde patronen.

De onderzoekers slaagden er zelfs in om trilayer‑patronen te creëren, met nog complexere moiré‑patronen, die eveneens zelf‑assemblerend zijn.

Dit betekent niet dat gemengde lagen geen interessante patronen vertonen; bijvoorbeeld de vierkant‑kagome‑vierkant trilayer. Het is ook waarschijnlijk dat in de toekomst meer patronen kunnen worden gecreëerd met verschillende zaden en DNA‑structuren, aangezien dit de allereerste nanoscopische moiré‑patroon is.

 

Meer controle over de ontwikkeling van deze patronen kan verder worden ontwikkeld, en oplossingen worden al door de onderzoekers overwogen. Bijvoorbeeld, het origami‑zaad kan nauwkeurig op substraten worden geplaatst met behulp van nanofabricatiemethoden. Op deze manier zou het op vooraf gedefinieerde locaties op de chip kunnen worden geassembleerd.

Toepassingen

Over het geheel genomen zou deze productietechnologie van zelf‑assemblerende DNA‑latices en een nieuw type materiaal toepasbaar kunnen zijn in elk veld dat precieze productie op nanoschaal vereist.

Dit komt grotendeels doordat ze een bijna perfecte mix bieden van hoge ruimtelijke resolutie, precieze adresseerbaarheid en programmeerbare symmetrie.

De eerste toepassing van zo’n structuur zou zijn om het te gebruiken als een scaffold op nanoscopische schaal. Bijvoorbeeld, er zouden fluorescerende moleculen, metalen nanodeeltjes of halfgeleiders aan kunnen worden bevestigd in aangepaste 2D‑ en 3D‑architecturen.

Een andere optie zou kunnen zijn om de meerlagige latices om te vormen tot stijve raamwerken via chemische modificaties.

Daarna zouden ze kunnen worden hergebruikt als fononische kristallen of mechanische metamaterialen met afstelbare vibratie‑responsen, waarbij dergelijke systemen veel potentiële toepassingen hebben in sensoren en fotonische computing.

Tenslotte zouden zulke latices eigenschappen kunnen hebben van spin‑selectieve elektronen­transport, aangezien bekend is dat DNA elektronen filtert op basis van hun spin (een kwantum‑karakteristiek).

“Dit gaat niet over het nabootsen van kwantummaterialen. Het gaat erom de ontwerp‑ruimte uit te breiden en het mogelijk te maken nieuwe soorten gestructureerde materie van onderen op te bouwen, met geometrische controle direct ingebed in de moleculen.”

Prof. Laura Na Liu – Directeur van het 2e Fysisch Instituut van de Universiteit Stuttgart

Investeren in DNA & Nanotech

Twist Biosciences

(TWST )

Het bedrijf is gespecialiseerd in DNA‑synthese, door miniaturisatiemethoden uit de halfgeleiderindustrie te benutten, waardoor tijd en geld voor onderzoekers worden bespaard.

Met zijn geavanceerde DNA‑ en RNA‑synthese‑capaciteit zou Twist snel een grote aptamer‑producent kunnen worden als de markt voor anti‑stollingsproducten groeit.

Als een “neutrale” producent die zich richt op het leveren van de beste nucleïnezurenreeks tegen de beste prijs, zou het een voorkeurs‑productiepartner kunnen zijn voor elk farmaceutisch bedrijf dat nuttige nucleïnezuren wil commercialiseren, zoals gegevensopslag of anti‑stollings‑aptamers.

In januari 2023 begon het bedrijf met het verzenden van producten vanuit zijn recent geopende tweede productiefaciliteit. De nieuwe fabriek zou de productiecapaciteit van Twist moeten verdubbelen.

Het werkt ook aan het creëren van DNA‑gebaseerde gegevensopslag die kan worden gebruikt om data te beschermen, onafhankelijk van elektronische systemen. Dus misschien kunnen geavanceerde gegevensopslagtechnologieën DNA zelf gebruiken.

Deze miniaturisatie stelt ons in staat de reactieve volumes te verkleinen met een factor van 1 000 000, terwijl de doorvoersnelheid wordt verhoogd met een factor van 1 000, waardoor de synthese van 9 600 genen op één enkele siliciumchip op volledige schaal mogelijk is.

Aangezien het bedrijf een expert is in het produceren van DNA‑producten voor industrieel gebruik, zou het sterk kunnen profiteren van DNA dat een sleuteltool wordt bij het bouwen van nanostructuren voor de halfgeleider-, chemische‑ en computerindustrie, of het nu gaat om DNA‑chemicaliën op aanvraag, DNA‑gebaseerde gegevensopslag, DNA‑lattice, enz.

Laatste Twist Biosciences (TWST) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Studie Gerefereerd

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

mm

Jonathan is een voormalig onderzoeker in de biochemie die werkte aan genetische analyse en klinische onderzoeken. Hij is nu een aandelenanalist en financieel schrijver met een focus op innovatie, marktcycli en geopolitiek in zijn publicatie The Eurasian Century.