DNA Moiré-galler möjliggör nya självmonterande material

Galler metamaterial

En ny gräns inom materialvetenskapen är sammansättningen av mikroskopiska strukturer i galler, komplexa strukturer med ett regelbundet, upprepande mönster, ofta gjorda av korsade remsor eller linjer.

Dessa strukturer förändrar ofta materialets egenskaper fullständigt, till exempel genom att göra det mycket starkare, mer flexibel, reflekterar ljus på ett annat sätt, etc.

Dessa galler kan ha olika grundformer, till exempel fyrkanter, hexagonal bikaka, kagome, etc.

Källa: Research Gate

En ytterligare möjlighet är att kombinera två lager av galler-material, vilket skapar ännu mer avancerade egenskaper som går långt bortom potentialen hos de enskilda lagren. Till exempel diskuterade vi de potentiella supraledande egenskaperna hos ett vridet bilager gjort av ett volfram-selen-material.

En ny liknande typ av material har nu uppfunnits av forskare vid universitetet i Stuttgart, Arizona State University och Max Planck-institutet.

De skapade en självbyggande struktur med DNA-molekyler som kan revolutionera hur vi kontrollerar ljus, ljud och elektroner. De publicerade sina resultat i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Nature Nanotechnology¹, under titeln “DNA moiré-supergaller”.

Moiré-supergaller

Moiré-supergaller är artificiella material som skapas genom att stapla tvådimensionella (2D) material med en liten vridningsvinkel eller galler-mismatch.

Källa: Nature Nanotechnology

Denna mismatch skapar ett extra ”supermönster”, även kallat moiré-mönster, som skiljer sig från det elementära mönstret i de två ursprungliga gallren. Interaktionerna mellan ljus eller elektroner och moiré-mönstret ger nya egenskaper till materialet.

Hittills har moiré-mönster inom materialvetenskapen bara konstruerats på två radikalt olika skalor: antingen på atomär skala, till exempel med grafenlager (en hundra‑miljondels centimeter, eller 0,1 nanometer), eller på mikroskopisk skala (en tusendels meter).

Källa: Nature Nanotechnology

Dessa produkter är generellt mycket komplexa att producera, vilket kräver noggranna tillverkningssteg, såsom överföring, stapling, vridning och justering av subgaller.

Det fanns dock inga moiré-supergaller på en mellanstorlek, räknade i nanometer. Detta ändrades när forskarna använde DNA för att skapa ett.

DNA-supergaller

DNA är en mycket speciell typ av liten molekyl, eftersom den har en naturlig tendens att självorganisera sig till komplexa mönster på nanoskalig nivå. En sådan struktur är ett DNA‑origami‑paket, bestående av sammankopplade DNA‑helixar, som bildade en av byggstenarna forskarna använde.

Källa: Nature Nanotechnology

Den andra byggstenen var de tvådimensionella DNA‑plattorna (SST), bestående av enkelsidiga plattor i formerna fyrkant, hexagonal bikaka och kagome. Transmissionselektronmikroskop (TEM) användes för att kontrollera regelbundenheten och kvaliteten på gallerstrukturerna.

Källa: Nature Nanotechnology

Forskarna använde DNA‑origami‑paketet som en ”frö”, runt vilket ett mycket större galler naturligt kunde självorganisera sig. Olika frön skapar olika typer av DNA‑galler, vilket ger stor kontroll över den slutliga formen.

Källa: Nature Nanotechnology

När de producerades blandades många av dessa galler ihop och bildade ett bilager av DNA‑molekyler. Olika produktionsförhållanden, med variationer i frön och temperatur, möjliggör begränsad kontroll av andelen bilager respektive monogaller som produceras.

Källa: Nature Nanotechnology

Analysera DNA-bilager och trilager

Med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) analyserade forskarna dessa bilager‑nanostrukturer.

Båda monogallerna mäter ~39,0 nm i höjd och omkring en mikrometer i bredd.

Källa: Nature Nanotechnology

När de vridna bilagren använde identiska subgaller (fyrkant‑fyrkant, kagome‑kagome och bikaka‑bikaka) resulterade det i en nästan fullständig (men inte total) överlappning av de två monogallerna.

Dessa var kombinationerna som gav de mest intressanta moiré‑mönstren för bilager, jämfört med de blandade mönstren.

Källa: Nature Nanotechnology

Forskarna lyckades dessutom skapa trilager‑mönster, med ännu mer komplexa moiré‑mönster, som också är självmonterande.

Källa: Nature Nanotechnology

Det betyder inte att inga blandade lager visade intressanta mönster, till exempel det fyrkant‑kagome‑fyrkant trilagret. Det är också sannolikt att fler mönster kan skapas i framtiden med olika frön och DNA‑strukturer, eftersom detta är det första någonsin skapade nanoskala‑moiré‑mönstret.

Källa: Nature Nanotechnology

Mer kontroll över utvecklingen av dessa mönster kan utvecklas ytterligare, och lösningar övervägs redan av forskarna. Till exempel kan origami‑fröet placeras exakt på substrat med nanofabrikationsmetoder. På så sätt kan det monteras på fördefinierade platser på chipet.

Tillämpningar

Övergripande kan denna tillverkningsteknik för självmonterande DNA‑galler och en ny typ av material hitta tillämpning i alla områden som kräver precis tillverkning på nanoskalig nivå.

Detta beror till stor del på att de erbjuder en nästan perfekt kombination av hög rumslig upplösning, exakt adresserbarhet och programmerbar symmetri.

Den första tillämpningen av en sådan struktur skulle vara att använda den som ett ramverk på nanoskala. Till exempel kan den ha fäst fluorescerande molekyler, metallnanopartiklar eller halvledare i anpassade 2D‑ och 3D‑arkitekturer.

Ett annat alternativ kan vara att göra de flerskiktsgallerna till styva ramverk genom kemiska modifieringar.

Därefter kan de återanvändas som fononiska kristaller eller mekaniska metamaterial med justerbara vibrationssvar, där sådana system har många potentiella tillämpningar i sensorer och fotonisk beräkning.

Slutligen kan sådana galler ha egenskaper för spinn‑selektiv elektrontransport, eftersom DNA är känt för att filtrera elektroner enligt deras spinn (en kvantkaraktär).

“Det handlar inte om att efterlikna kvantmaterial. Det handlar om att utvidga designutrymmet och göra det möjligt att bygga nya typer av strukturerad materia från grunden, med geometrisk kontroll inbäddad direkt i molekylerna.”

Pr. Laura Na Liu – Director of the 2nd Physics Institute of Stuttgart University

Investering i DNA & Nanoteknik

Twist Biosciences

Företaget specialiserar sig på DNA‑syntes, genom att utnyttja miniaturiseringsmetoder från halvledarindustrin, vilket sparar tid och pengar för forskare.

Med sin avancerade DNA‑ och RNA‑synteskapacitet kan Twist snabbt bli en stor tillverkare av aptamer om marknaden för antikoagulerande produkter växer.

Som en “neutral” producent fokuserad på att leverera de bästa nukleinsyrasekvenserna till bästa pris, kan den bli en föredragen tillverkningspartner för alla läkemedelsföretag som vill kommersialisera användbara nukleinsyror, som datalagring eller antikoagulerande aptamer.

I januari 2023 började företaget leverera produkter från sin nyligen öppnade andra tillverkningsanläggning. Den nya fabriken bör dubbla Twists produktionskapacitet.

Det arbetar också med att skapa DNA‑baserad datalagring som kan användas för att skydda data, oberoende av elektroniska system. Så kanske avancerade datalagringsteknologier kan använda DNA självt.

Denna miniaturisering gör att vi kan minska reaktionsvolymerna med en faktor på 1 000 000 samtidigt som vi ökar genomströmningen med en faktor på 1 000, vilket möjliggör syntes av 9 600 gener på ett enda kiselchip i full skala.

Källa: Twist Biosciences

Eftersom företaget är expert på att producera DNA‑produkter för industriell användning, kan det dra stor nytta av att DNA blir ett nyckelverktyg för att bygga nanostrukturer för halvledar-, kemikalie‑ och beräkningsindustrin, vare sig det gäller DNA‑kemikalier på begäran, DNA‑baserad datalagring, DNA‑galler, etc.

Senaste Twist Biosciences (TWST) aktienyheter och utvecklingar

Studie refererad

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