DNA-moirégitter muliggjør nye selvorganiserende materialer

Gittermetamaterialer

En ny grense innen materialvitenskap er montering av mikroskopiske strukturer i gitter, komplekse strukturer med et regelmessig, repeterende mønster, ofte laget av kryssede strimler eller linjer.

Disse strukturene endrer ofte materialets egenskaper fullstendig, for eksempel ved å gjøre det mye sterkere, mer fleksibel, reflekterer lyset annerledesOsv

Disse gitterne kan ha forskjellige grunnformer, for eksempel firkanter, sekskantede bikakeformer, kagomeOsv

kilde: forskning Gate

En ytterligere mulighet er å kombinere to lag med gittermaterialer, noe som skaper enda mer avanserte egenskaper som går langt utover potensialet til de enkelte lagene. For eksempel diskuterte vi de potensielle superledende egenskapene til et vridd dobbeltlag laget av et wolfram-selenmateriale.

En ny lignende type materiale er nå oppfunnet av forskere ved Universitetet i Stuttgart, Arizona State University og Max Planck-instituttet.

De skapte en selvbyggende struktur ved hjelp av DNA-molekyler som kunne revolusjonere hvordan vi kontrollerer lys, lyd og elektroner. De publiserte resultatene sine i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Nature Nanotechnology.¹, under tittelen "DNA moiré-supergitter".

Moiré-supergitter

Moiré-supergitter er kunstige materialer laget ved å stable todimensjonale (2D) materialer med en liten vridningsvinkel eller gitteravvik.

kilde: Natur Nanoteknologi

Denne uoverensstemmelsen skaper et ekstra «supermønster», også kalt et moirémønster, som er forskjellig fra det elementære mønsteret til de to første gitterne. Samspillet mellom lys eller elektroner og moirémønsteret gir nye egenskaper til dette materialet.

Så langt har moiré-mønstre innen materialvitenskap bare blitt konstruert på to radikalt forskjellige skalaer: enten på atomær skala, som for eksempel med grafenlag (en hundre milliondels centimeter, eller 2 nanometer), eller på mikroskopisk skala (en tusendels meter).

kilde: Natur Nanoteknologi

Disse produktene er generelt svært komplekse å produsere, og krever omhyggelige fabrikasjonstrinn, som overføring, stabling, vridning og justering av undergitter.

Det fantes imidlertid ingen moiré-supergitter i en mellomliggende skala, telt i nanometer. Dette var inntil disse forskerne brukte DNA til å lage et.

DNA-supergitter

DNA er en helt spesiell type lite molekyl, ettersom det har en naturlig tendens til å selvorganisere seg i komplekse mønstre på nanoskala. En slik struktur er en DNA-origami-bunt, bestående av sammenkoblede DNA-helikser, som dannet en av byggesteinene som ble brukt av forskerne.

kilde: Natur Nanoteknologi

Den andre byggesteinen var 2D DNA-flisundergitter, bestående av enkelttrådete fliser (SST-er), kvadrater, sekskantede bikakeformer og kagomeformer. Transmisjonselektronmikroskop (TEM) ble brukt til å kontrollere regelmessigheten og kvaliteten på gitterstrukturene.

kilde: Natur Nanoteknologi

Forskerne brukte DNA-origamibunten som et «frø» som et mye større gitter naturlig kunne organisere seg rundt. Ulike frø skaper forskjellige typer DNA-gitter, noe som gir stor kontroll over den endelige formen.

kilde: Natur Nanoteknologi

Når de produseres, blandes mange av disse gitterne sammen og skaper et dobbeltlagsgitter laget av DNA-molekyler. Ulike produksjonsforhold, med variasjoner i frøene og temperaturen, tillater en begrenset kontroll over andelen dobbeltlags- kontra monolagsgittere som produseres.

kilde: Natur Nanoteknologi

Analyse av DNA-bilag og -trilag

Ved hjelp av skanningselektronmikroskopi (SEM) fortsatte forskerne å analysere disse nanoskopiske strukturene med dobbeltlag.

Begge monolagene måler ~39.0 nm i høyden og rundt en mikrometer i bredden.

kilde: Natur Nanoteknologi

Når de vridde bilagene brukte identiske undergitter (kvadratisk–kvadratisk, kagome–kagome og honeycomb–honeycomb), resulterte det i en nesten fullstendig (men ikke total) overlapping av de to monolagene.

Dette var kombinasjonene som ga de mest interessante moiré-mønstrene for dobbeltlag, sammenlignet med de blandede mønstrene.

kilde: Natur Nanoteknologi

Forskerne klarte til og med å lage trelagsmønstre, med enda mer komplekse moiré-mønstre, som også er selvorganiserende.

kilde: Natur Nanoteknologi

Dette betyr ikke at ingen blandede lag ikke viste interessante mønstre, med for eksempel kvadrat-kagom-kvadratisk trelag. Det er også sannsynlig at flere mønstre kan bli laget i fremtiden med forskjellige frø og DNA-strukturer, ettersom dette bare er det første nanoskopiske moiré-mønsteret som noensinne er laget.

kilde: Natur Nanoteknologi

Mer kontroll over utviklingen av disse mønstrene kan utvikles videre, og løsninger vurderes allerede av forskerne. For eksempel kan origamifrøet plasseres presist på underlag ved hjelp av nanofabrikasjonsmetoder. På denne måten kan det settes sammen på forhåndsdefinerte steder på brikken.

Applikasjoner

Alt i alt kan denne produksjonsteknologien for selvorganiserende DNA-gitter og en ny type materiale finne anvendelse i ethvert felt som krever presis produksjon på nanoskala.

Dette er i stor grad fordi de gir en nesten perfekt blanding av høy romlig oppløsning, presis adresserbarhet og programmerbar symmetri.

Den første anvendelsen av en slik struktur ville være å bruke den som et stillas på nanoskopisk skala. For eksempel kunne den ha festet fluorescerende molekyler, metalliske nanopartikler eller halvledere i tilpassede 2D- og 3D-arkitekturer.

Et annet alternativ kan være å gjøre flerlagsgitterne til stive rammeverk gjennom kjemiske modifikasjoner.

Deretter kan de ombrukes som fononiske krystaller eller mekaniske metamaterialer med avstembare vibrasjonsresponser, der slike systemer har mange potensielle bruksområder innen sensorer og fotonisk databehandling.

Til slutt kan slike gitter ha egenskaper for spinn-selektiv elektrontransport, ettersom DNA er kjent for å filtrere elektroner i henhold til spinnet deres (en kvantekarakteristikk).

«Dette handler ikke om å etterligne kvantematerialer. Det handler om å utvide designrommet og gjøre det mulig å bygge nye typer strukturert materie nedenfra og opp, med geometrisk kontroll innebygd direkte i molekylene.»

Per Laura Na Liu - Regissør av 2. fysikkinstitutt av Stuttgart universitet

Investering i DNA og nanoteknologi

Twist Biosciences

Selskapet spesialiserer seg på DNA-syntese, utnytte miniatyriseringsmetoder fra halvlederindustrien, sparer tid og penger for forskere.

Med sin avanserte DNA- og RNA-synteseevne kan Twist raskt bli en stor aptamerprodusent hvis markedet for anti-koaguleringsprodukter vokser.

Som en "nøytral" produsent fokusert på å tilby de beste nukleinsyresekvensene til den beste prisen, kan den være en valgfri produksjonspartner for ethvert farmasøytisk selskap som ønsker å kommersialisere nyttige nukleinsyrer, som datalagring eller anti-koagulasjonsaptamerer.

I januar 2023, selskapet begynte å sende produkter fra sin nylig lanserte andre produksjonsinstallasjonDen nye fabrikken skal doble Twists produksjonskapasitet.

Det jobbes også med å skape DNA-basert datalagring som kan brukes til å beskytte data, uavhengig av elektroniske systemer. Så kanskje avanserte datalagringsteknologier kan bruke DNA i seg selv.

Denne miniatyriseringen lar oss redusere reaksjonsvolumene med en faktor på 1,000,000 1,000 9,600 mens vi øker gjennomstrømningen med en faktor på XNUMX XNUMX, noe som muliggjør syntese av XNUMX XNUMX gener på en enkelt silisiumbrikke i full skala.

kilde: Twist Biosciences

Ettersom selskapet er ekspert på å produsere DNA-produkter for industriell bruk, kan det ha stor nytte av at DNA blir et sentralt verktøy i byggingen av nanostrukturer for halvleder-, kjemi- og databehandlingsindustrien, det være seg DNA-kjemikalier på forespørsel, DNA-basert datalagring, DNA-gitter osv.

Siste nytt og utvikling for Twist Biosciences (TWST)-aksjen

Studiereferert

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