DNA Moiré-gitter gjør mulig nye selvmonterende materialer

Lattice-metamaterialer

En ny frontlinje innen materialvitenskap er sammensetning av mikroskopiske strukturer i gitter, komplekse strukturer med et regelmessig, repeterende mønster, ofte laget av kryssende striper eller linjer.

Disse strukturene endrer ofte fullstendig egenskapene til et materiale, for eksempel ved å gjøre det mye sterkere, mer fleksibel, reflekterer lys på en annen måte, osv.

Disse gitterne kan ha ulike grunnformer, for eksempel firkanter, heksagonalt bikake, kagome, osv.

Kilde: Research Gate

En ekstra mulighet er å kombinere 2 lag med gittermaterialer, og skape enda mer avanserte egenskaper som langt overgår potensialet til de enkelte lagene. For eksempel diskuterte vi de potensielle superledende egenskapene til et vridd bilag laget av et wolfram-selenium-materiale.

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

De skapte en selvbyggende struktur ved bruk av DNA-molekyler som kan revolusjonere hvordan vi kontrollerer lys, lyd og elektroner. De publiserte resultatene i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Nature Nanotechnology¹, under tittelen “DNA moiré superlattices”.

Moiré-supergitter

Moiré-supergitter er kunstige materialer laget ved å stable to‑dimensjonale (2D) materialer med en liten vri‑vinkel eller gitter‑mismatch.

Kilde: Nature Nanotechnology

Denne mismatchen skaper et ekstra “supermønster”, også kalt et moiré‑mønster, som er forskjellig fra det elementære mønsteret til de to opprinnelige gitterne. Interaksjonene mellom lys eller elektroner og moiré‑mønsteret gir nye egenskaper til dette materialet.

Hittil har moiré‑mønstre i materialvitenskap kun blitt konstruert på to radikalt forskjellige skalaer: enten på atomskala, for eksempel med grafen‑lag (en hundredel av en milliondel av en centimeter, eller 0,1 nanometer), eller på mikroskopisk skala (en tusendel av en meter).

Kilde: Nature Nanotechnology

Disse produktene er generelt svært komplekse å fremstille, og krever nøyaktige fremstillingssteg, som overføring, stable, vri og justering av undergittere.

Det har imidlertid ikke eksistert moiré‑supergitter på en mellomliggende skala, målt i nanometer. Dette endret seg da forskerne brukte DNA til å lage ett.

DNA-supergitter

DNA er en svært spesiell type liten molekyl, da den har en naturlig tendens til å selvorganisere seg i komplekse mønstre på nanoskalering. En slik struktur er en DNA‑origami‑pakke, bestående av sammenkoblede DNA‑helikser, som utgjorde en av byggesteinene forskerne benyttet.

Kilde: Nature Nanotechnology

Den andre byggesteinen var de 2D DNA‑flis‑undergitterne, sammensatt av enkelt‑strengete fliser (SSTs), i former av firkanter, heksagonalt bikake og kagome. Transmisjonselektronmikroskoper (TEM) ble brukt for å kontrollere regelmessigheten og kvaliteten på gitterstrukturene.

Kilde: Nature Nanotechnology

Forskerne brukte DNA‑origami‑pakken som en “frø”, rundt hvilken et mye større gitter naturlig kunne selvorganisere. Ulike frø skaper ulike typer DNA‑gitter, noe som gir stor kontroll over den endelige formen.

Kilde: Nature Nanotechnology

Ved produksjon blandet mange av disse gitterne seg, og dannet et bilag‑gitter laget av DNA‑molekyler. Varierende produksjonsforhold, med ulike frø og temperatur, gir begrenset kontroll over andelen bilag‑ versus monolag‑gitter som produseres.

Kilde: Nature Nanotechnology

Analyse av DNA-bilag og trilag

Ved bruk av skanningelektronmikroskopi (SEM) analyserte forskerne disse nanoskopsiske bilag‑strukturene.

Begge monolag måler ~39,0 nm i høyde og omtrent en mikrometer i bredde.

Kilde: Nature Nanotechnology

Når de vridde bilagene brukte identiske undergitter (firkant‑firkant, kagome‑kagome og bikake‑bikake), resulterte det i en nesten fullstendig (men ikke total) overlapp av de to monolagene.

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

Kilde: Nature Nanotechnology

Forskerne klarte også å lage trilag‑mønstre, med enda mer komplekse moiré‑mønstre, som også er selvmonterende.

Kilde: Nature Nanotechnology

Dette betyr ikke at blandede lag ikke kan vise interessante mønstre, for eksempel firkant‑kagome‑firkant‑trilaget. Det er også sannsynlig at flere mønstre kan skapes i fremtiden med ulike frø og DNA‑strukturer, siden dette er det aller første nanoskopsiske moiré‑mønsteret som er laget.

Kilde: Nature Nanotechnology

Mer kontroll over utviklingen av disse mønstrene kan oppnås, og løsninger blir allerede vurdert av forskerne. For eksempel kan origami‑frøet plasseres presist på substrater ved bruk av nanofabrikasjonsteknikker. På den måten kan det monteres på forhåndsdefinerte steder på chipen.

Applikasjoner

Generelt kan denne produksjonsteknologien for selvmonterende DNA‑gitter og en ny type materiale finne anvendelse i ethvert felt som krever presis produksjon på nanoskalering.

Dette skyldes i stor grad at de gir en nesten perfekt kombinasjon av høy romlig oppløsning, presis adresserbarhet og programmerbar symmetri.

Den første bruken av en slik struktur ville være som en ramme på nanoskopsisk skala. For eksempel kan den ha festet fluorescerende molekyler, metalliske nanopartikler eller halvledere i tilpassede 2D‑ og 3D‑arkitekturer.

Et annet alternativ kan være å gjøre de flerlag‑gitterne til stive rammeverk gjennom kjemiske modifikasjoner.

De kan deretter omgjøres til fononiske krystaller eller mekaniske metamaterialer med justerbare vibrasjonsrespons, og slike systemer har mange potensielle anvendelser i sensorer og fotonisk databehandling.

Til slutt kan slike gitter ha egenskaper for spin‑selektiv elektrontransport, siden DNA er kjent for å filtrere elektroner etter deres spinn (en kvanteegenskap).

“Dette handler ikke om å etterligne kvantematerialer. Det handler om å utvide designrommet og gjøre det mulig å bygge nye typer strukturert materie fra bunnen av, med geometrisk kontroll direkte innbakt i molekylene.”

Prof. Laura Na Liu – Direktør for det 2. fysikkinstitutt ved Stuttgart Universitet

Investering i DNA & Nanoteknologi

Twist Biosciences

Selskapet spesialiserer seg på DNA‑syntese, utnytter miniaturiseringsmetoder fra halvlederindustrien, og sparer tid og penger for forskere.

Med sin avanserte DNA‑ og RNA‑syntese‑kapasitet kan Twist raskt bli en ledende aptamer‑produsent dersom markedet for antikoagulerende produkter vokser.

Som en “nøytral” produsent fokusert på å levere de beste nukleinsyre‑sekvensene til den beste prisen, kan de bli foretrukket produksjonspartner for ethvert farmasøytisk selskap som ønsker å kommersialisere nyttige nukleinsyrer, som datalagring eller antikoagulerende aptamere.

I januar 2023, selskkapet begynte å sende produkter fra sin nylig lanserte andre produksjonsanlegg. Den nye fabrikken bør doble Twists produksjonskapasitet.

De arbeider også med å utvikle DNA-basert datalagring som kan brukes til å sikre data, uavhengig av elektroniske systemer. Så kanskje avanserte datalagringsteknologier kan bruke DNA selv.

Denne miniaturiseringen gjør at vi kan redusere reaksjonsvolumene med en faktor på 1 000 000 samtidig som vi øker gjennomstrømningen med en faktor på 1 000, noe som muliggjør syntese av 9 600 gener på en enkelt silisium‑chip i full skala.

Kilde: Twist Biosciences

Ettersom selskapet er ekspert på å produsere DNA‑produkter for industriell bruk, kan de ha stor nytte av at DNA blir et nøkkelverktøy i bygging av nanostrukturer for halvleder‑, kjemi‑ og databehandlingsindustrien, enten det gjelder DNA‑kjemikalier på forespørsel, DNA‑basert datalagring, DNA‑gitter osv.

Siste nyheter og utviklinger for Twist Biosciences (TWST)-aksjen

Studie referert

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