Siatki DNA Moiré umożliwiają tworzenie nowych, samoskładających się materiałów

Metamateriały kratowe

Nowym obszarem badań w dziedzinie materiałoznawstwa jest montaż mikroskopijnych struktur w kratownicach – złożonych strukturach o regularnym, powtarzalnym wzorze, często zbudowanych ze skrzyżowanych pasków lub linii.

Struktury te często całkowicie zmieniają właściwości materiału, np. sprawiając, że dużo silniejszy, bardziej elastyczne, odbijanie światła inaczej, itp.

Kraty te mogą mieć różne podstawowe kształty, na przykład kwadraty, sześciokątne plastry miodu, kagome, itp.

Źródło: researchgate

Dodatkową możliwością jest połączenie 2 warstw materiałów kratowych, co pozwoli na stworzenie jeszcze bardziej zaawansowanych właściwości, wykraczających daleko poza potencjał poszczególnych warstw. Na przykład, omówiliśmy potencjalne właściwości nadprzewodzące skręconej warstwy dwuwarstwowej wykonanej z materiału wolframowo-selenowego.

Naukowcy z Uniwersytetu w Stuttgarcie, Uniwersytetu Stanowego Arizony i Instytutu Maxa Plancka wynaleźli właśnie nowy, podobny rodzaj materiału.

Stworzyli samobudującą się strukturę wykorzystującą cząsteczki DNA, która może zrewolucjonizować sposób, w jaki kontrolujemy światło, dźwięk i elektrony. Opublikowali swoje wyniki w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature Nanotechnology”.¹, pod tytułem "Supersieci mory DNA".

Superkratki Moiré

Supersieci mory to materiały sztuczne powstające poprzez układanie dwuwymiarowych (2D) materiałów z małym kątem skręcenia lub niedopasowaniem sieci.

Źródło: Natura Nanotechnologia

To niedopasowanie tworzy dodatkowy „superwzór”, zwany również wzorem mory, różniący się od wzoru pierwiastkowego dwóch pierwotnych sieci. Oddziaływanie światła lub elektronów ze wzorem mory nadaje temu materiałowi nowe właściwości.

Dotychczas wzory mory w nauce o materiałach powstawały tylko w 2 radykalnie różnych skalach: albo w skali atomowej, jak na przykład w przypadku warstw grafenu (stumilionowa część centymetra, czyli 0.1 nanometra), albo w skali mikroskopowej (tysięczna część metra).

Źródło: Natura Nanotechnologia

Produkcja tych produktów jest na ogół bardzo skomplikowana i wymaga drobiazgowe etapy produkcji, takie jak przenoszenie, układanie, skręcanie i wyrównywanie podsieci.

Nie istniały jednak supersieci mory w skali pośredniej, liczonej w nanometrach. Aż do momentu, gdy naukowcy wykorzystali DNA do ich stworzenia.

Supersieci DNA

DNA to bardzo szczególny rodzaj małej cząsteczki, ponieważ ma naturalną tendencję do samoorganizacji w złożone wzory w skali nano. Jedną z takich struktur jest wiązka origami DNA, złożona z połączonych ze sobą helis DNA, która stanowiła jeden z elementów budulcowych wykorzystanych przez naukowców.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Drugim elementem konstrukcyjnym były dwuwymiarowe podsieci DNA, składające się z jednoniciowych płytek (SST) o kształcie kwadratów, heksagonalnych plastrów miodu i kagome. Do sprawdzenia regularności i jakości struktur sieciowych wykorzystano transmisyjne mikroskopy elektronowe (TEM).

Źródło: Natura Nanotechnologia

Naukowcy wykorzystali wiązkę DNA origami jako „ziarno”, wokół którego mogła naturalnie samoorganizować się znacznie większa sieć. Różne ziarna tworzą różne rodzaje sieci DNA, co pozwala na dużą kontrolę nad ostatecznym kształtem.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Podczas produkcji wiele z tych sieci krystalicznych miesza się ze sobą, tworząc dwuwarstwową sieć zbudowaną z cząsteczek DNA. Różne warunki produkcji, z uwzględnieniem zróżnicowania zarodków i temperatury, pozwalają na ograniczoną kontrolę proporcji powstających sieci dwuwarstwowych w stosunku do jednowarstwowych.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Analiza dwuwarstw i trójwarstw DNA

Naukowcy przeanalizowali te dwuwarstwowe, nanoskopowe struktury za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM).

Obie monowarstwy mają wysokość około 39.0 nm i szerokość około mikrometra.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Gdy skręcone warstwy dwuwarstwowe wykorzystywały identyczne podsieci (kwadrat-kwadrat, kagome-kagome i plaster miodu-plaster miodu), skutkowało to niemal całkowitym (choć nie całkowitym) nałożeniem się dwóch monowarstw.

To właśnie te kombinacje dawały najciekawsze wzory mory dla struktur dwuwarstwowych, w porównaniu ze wzorami mieszanymi.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Naukowcom udało się nawet stworzyć wzory trójwarstwowe, o jeszcze bardziej złożonych wzorach mory, które również są samoczynnie się układające.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Nie oznacza to, że żadna z warstw mieszanych nie wykazywała interesujących wzorów, na przykład trójwarstwa kwadrat-kagome-kwadrat. Jest również prawdopodobne, że w przyszłości uda się stworzyć więcej wzorów z różnymi ziarnami i strukturami DNA, ponieważ jest to dopiero pierwszy w historii nanoskopowy wzór mory.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Większą kontrolę nad rozwojem tych wzorów można uzyskać w dalszym ciągu, a naukowcy już rozważają rozwiązania. Na przykład, ziarno origami można precyzyjnie umieścić na podłożu, wykorzystując metody nanofabrykacji. W ten sposób można je złożyć w predefiniowanych miejscach na chipie.

Zastosowania

Ogólnie rzecz biorąc, technologia produkcji samoorganizujących się sieci DNA i nowego typu materiałów może znaleźć zastosowanie w każdej dziedzinie wymagającej precyzyjnej produkcji w skali nano.

Dzieje się tak w dużej mierze dlatego, że zapewniają niemal idealne połączenie wysokiej rozdzielczości przestrzennej, precyzyjnej adresowalności i programowalnej symetrii.

Pierwszym zastosowaniem takiej struktury byłoby wykorzystanie jej jako rusztowania w skali nanoskopowej. Na przykład, mogłaby ona być wyposażona w cząsteczki fluorescencyjne, nanocząstki metali lub półprzewodniki w niestandardowych architekturach 2D i 3D.

Inną opcją mogłoby być przekształcenie wielowarstwowych kratownic w sztywne struktury poprzez modyfikacje chemiczne.

Następnie mogłyby zostać ponownie wykorzystane jako kryształy fononowe lub mechaniczne metamateriały z regulowanymi odpowiedziami wibracyjnymi. Takie systemy miałyby wiele potencjalnych zastosowań w czujnikach i komputerach fotonicznych.

Wreszcie, takie sieci mogą mieć właściwości selektywnego spinowo transportu elektronów, ponieważ wiadomo, że DNA filtruje elektrony według ich spinu (cecha kwantowa).

„Nie chodzi o naśladowanie materiałów kwantowych. Chodzi o poszerzenie przestrzeni projektowej i umożliwienie budowania nowych rodzajów materii strukturalnej od podstaw, z kontrolą geometryczną wbudowaną bezpośrednio w cząsteczki”.

Ks. Laura Na Liu - Dyrektor ukończenia 2. Instytut Fizyki Uniwersytetu w Stuttgarcie

Inwestowanie w DNA i nanotechnologię

Twist Bioscience

Firma specjalizuje się w syntezie DNA, wykorzystując metody miniaturyzacji stosowane w przemyśle półprzewodników, oszczędzając czas i pieniądze badaczy.

Dzięki zaawansowanym możliwościom syntezy DNA i RNA firma Twist może szybko stać się głównym producentem aptamerów, jeśli wzrośnie rynek produktów przeciwzakrzepowych.

Jako „neutralny” producent skoncentrowany na dostarczaniu najlepszych sekwencji kwasów nukleinowych w najlepszej cenie, może być partnerem produkcyjnym z wyboru dla każdej firmy farmaceutycznej, która chce wprowadzić na rynek przydatne kwasy nukleinowe, takie jak systemy przechowywania danych lub aptamery przeciwzakrzepowe.

w styczniu 2023 r. firma rozpoczęła wysyłkę produktów z niedawno uruchomionej drugiej instalacji produkcyjnejNowa fabryka powinna podwoić zdolności produkcyjne Twist.

Pracuje także nad tworzeniem Przechowywanie danych w oparciu o DNA które mogłyby służyć do ochrony danych, niezależnie od systemów elektronicznych. Być może zaawansowane technologie przechowywania danych mogłyby wykorzystywać samo DNA.

Ta miniaturyzacja pozwala nam zmniejszyć objętość reakcji 1,000,000 1,000 9,600 razy, jednocześnie zwiększając wydajność XNUMX razy, umożliwiając syntezę XNUMX genów na pojedynczym chipie krzemowym w pełnej skali.

Źródło: Twist Bioscience

Jako że firma specjalizuje się w produkcji produktów DNA do zastosowań przemysłowych, mogłaby odnieść duże korzyści, gdyby DNA stało się kluczowym narzędziem w budowie nanostruktur dla przemysłu półprzewodnikowego, chemicznego i komputerowego, niezależnie od tego, czy chodzi o chemikalia DNA na żądanie, przechowywanie danych na bazie DNA, sieci DNA itp.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji Twist Biosciences (TWST)

Badanie, do którego się odniesiono

^{1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. i in. Supersieci mory DNA. NatURE. Nanotechnologiaok. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}