Malzeme Bilimi

DNA Moiré Izgaraları Yeni Kendiliğinden Oluşan Malzemeleri Mümkün Kılıyor

mm
Yayınlandı
Güncellendi
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.

Izgara Metamalzemeleri

A new frontier in material sciences is the assembly of microscopic structures in lattices, complex structures with a regular, repeating pattern, often made of crossed strips or lines.

Bu yapılar genellikle bir malzemenin özelliklerini tamamen değiştirir; örneğin, onu daha güçlü, daha esnek, ışığı farklı şekilde yansıtacak hâle getirir, vb.

Bu ızgaralar farklı temel şekillere sahip olabilir; örneğin, kareler, altıgen petek, kagome vb.

Ek bir olasılık, iki katman ızgara malzemesini birleştirerek, bireysel katmanların potansiyelinin çok ötesinde daha gelişmiş özellikler yaratmaktır. Örneğin, tungsten-selenyum malzemesinden yapılmış bükülmüş bir çift katmanın potansiyel süperiletken özelliklerini tartıştık.

Stuttgart Üniversitesi, Arizona State University ve Max Planck Enstitüsü’nden araştırmacılar tarafından şimdi benzer yeni bir malzeme icat edildi.

DNA moleküllerini kullanarak ışık, ses ve elektronları kontrol etme şeklimizi devrim niteliğinde değiştirebilecek kendi kendine inşa eden bir yapı oluşturdular. Sonuçlarını prestijli bilimsel dergi Nature Nanotechnology1’de “DNA moiré süperızgaraları” başlığıyla yayınladılar.

Moiré Süperızgaraları

Ölçek Malzeme Örneği Yaklaşık Boyut Montaj Yöntemi
Atomik Grafen çift katmanları ~0.1 nm Mekanik yığma ve bükme
Nanoboyutlu DNA moiré süperızgaraları ~40 nm Kendiliğinden oluşan DNA origami
Mikroskobik Fotonic kristaller ~1 µm Hassas üretim

Moiré süperızgaraları, küçük bir bükülme açısı veya ızgara uyumsuzluğu ile iki boyutlu (2D) malzemelerin üst üste yığılmasıyla oluşturulan yapay malzemelerdir.

Bu uyumsuzluk, başlangıçtaki iki ızgaranın temel deseninden farklı, “süper desen” olarak da adlandırılan bir moiré deseni oluşturur. Işık ya da elektronların moiré deseniyle etkileşimi bu malzemeye yeni özellikler kazandırır.

Şu ana kadar, malzeme biliminde moiré desenleri yalnızca iki köklü farklı ölçekte inşa edilmiştir: ya atomik ölçekte, örneğin grafen katmanları gibi (bir santimetrenin yüz milyonuncu kısmı, yani 0,1 nanometre), ya da mikroskobik ölçekte (metrenin binde biri).

Bu ürünler genellikle üretimi çok karmaşıktır ve alt-ızgaraların transferi, yığılması, bükülmesi ve hizalanması gibi titiz üretim adımları gerektirir.

Bununla birlikte, nanometre ölçeğinde ara bir ölçekte moiré süperızgaraları bulunmuyordu. Bu, araştırmacıların DNA kullanarak bir tane yaratmasına kadar gerçekleşmedi.

DNA Süperızgaraları

DNA, nanoskopik ölçekte karmaşık desenlere kendiliğinden örgülen doğal eğilimi olan çok özel bir küçük molekül türüdür. Bu tür bir yapı, birbirine bağlı DNA helikslerinden oluşan bir DNA origami demetidir ve araştırmacıların kullandığı yapı taşlarından birini oluşturur.

İkinci yapı taşı, kare, altıgen petek ve kagome şekillerinden oluşan tek iplikçikli döşemeler (SST’ler) ile meydana gelen 2D DNA döşeme alt-ızgaralarıydı. Izgara yapıların düzenliliği ve kalitesi, iletim elektron mikroskopları (TEM) ile kontrol edildi.

Araştırmacılar DNA origami demetini bir “tohum” olarak kullandılar; bu tohumun etrafında çok daha büyük bir ızgara doğal olarak kendiliğinden örgülenebildi. Farklı tohumlar farklı DNA ızgara tipleri oluşturur ve nihai şekil üzerinde büyük kontrol sağlar.

Üretildiğinde, bu ızgaraların birçoğu karışarak DNA moleküllerinden oluşan çift katmanlı bir ızgara oluşturdu. Tohum ve sıcaklık varyasyonlarıyla farklı üretim koşulları, çift katmanlı ve tek katmanlı ızgaraların oranı üzerinde sınırlı bir kontrol sağlar.

DNA Çift Katmanları ve Üç Katmanlarının Analizi

Taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanarak, araştırmacılar bu çift katmanlı nanoboyutlu yapıları analiz ettiler.

Tek katmanların yüksekliği yaklaşık ~39,0 nm ve genişliği bir mikrometre civarındadır.

Bükülmüş çift katmanlar aynı alt-ızgaraları (kare‑kare, kagome‑kagome ve petek‑petek) kullandığında, iki tek katmanın neredeyse tam (ancak tamamen değil) bir örtüşmesi ortaya çıktı.

Bu, karışık desenlere kıyasla çift katmanlar için en ilginç moiré desenlerini üreten kombinasyonlardı.

Araştırmacılar, daha karmaşık moiré desenlerine sahip ve aynı zamanda kendiliğinden örgülenen üç katmanlı desenler de oluşturmayı başardılar.

Bu, örneğin kare‑kagome‑kare üç katman gibi karışık katmanların ilginç desenler göstermediği anlamına gelmez. Farklı tohumlar ve DNA yapılarıyla gelecekte daha fazla desen oluşturulması muhtemeldir; çünkü bu, şimdiye kadar yaratılan ilk nanoboyutlu moiré desendir.

 

Bu desenlerin gelişimi üzerinde daha fazla kontrol sağlanabilir ve araştırmacılar zaten çözümler üzerinde çalışıyor. Örneğin, origami tohumu nanofabrikasyon yöntemleriyle alt tabakalara hassas bir şekilde yerleştirilebilir. Böylece çip üzerinde önceden tanımlanmış konumlarda birleştirilebilir.

Uygulamalar

Genel olarak, kendiliğinden örgülenen DNA ızgaraları ve yeni bir malzeme türünün bu üretim teknolojisi, nanoskopik ölçekte hassas üretim gerektiren her alanda uygulanabilir.

Bunun büyük bir kısmı, yüksek uzamsal çözünürlük, hassas adreslenebilirlik ve programlanabilir simetriyi neredeyse kusursuz bir şekilde birleştirmelerinden kaynaklanmaktadır.

Böyle bir yapının ilk uygulaması, nanoskopik ölçekte bir iskele olarak kullanılması olabilir. Örneğin, üzerine floresan moleküller, metalik nanoparçacıklar veya özelleştirilmiş 2D ve 3D mimarilerde yarı iletkenler bağlanabilir.

Başka bir seçenek, çok katmanlı ızgaraları kimyasal modifikasyonlarla katı çerçevelere dönüştürmek olabilir.

Daha sonra, bu sistemler titreşim yanıtları ayarlanabilir fononik kristaller veya mekanik metamaterialler olarak yeniden kullanılabilir; bu tür sistemlerin sensörler ve fotonik bilişimde birçok potansiyel uygulaması vardır.

Son olarak, bu ızgaralar, DNA’nın elektronları spinlerine (kuantum bir özellik) göre filtrelediği bilindiği için, spin-seçici elektron taşıma özelliklerine sahip olabilir.

“Bu, kuantum malzemelerini taklit etmekle ilgili değil. Tasarım alanını genişletmek ve moleküllerin içine doğrudan gömülü geometrik kontrolle, alttan yukarı yeni yapılandırılmış maddeler inşa etmeyi mümkün kılmakla ilgilidir.”
Prof. Laura Na Liu – Direktör 2. Fizik Enstitüsü Stuttgart Üniversitesi

DNA ve Nanoteknolojiye Yatırım

Twist Biosciences

(TWST )

Şirket, DNA sentezine odaklanmakta ve yarı iletken endüstrisinden gelen miniaturizasyon yöntemlerini kullanarak araştırmacılar için zaman ve maliyet tasarrufu sağlamaktadır.

Gelişmiş DNA ve RNA sentez yeteneği sayesinde, Twist anti-pıhtılaşma ürünleri pazarının büyümesi durumunda hızla büyük bir aptamer üreticisi haline gelebilir.

En iyi nükleik asit dizilerini en uygun fiyatla sunmaya odaklanan “nötr” bir üretici olarak, veri depolama veya anti-pıhtılaşma aptamerleri gibi faydalı nükleik asitleri ticarileştirmek isteyen herhangi bir ilaç şirketi için tercih edilecek bir üretim ortağı olabilir.

Ocak 2023’te şirket, yeni açılan ikinci üretim tesisinden ürün sevkiyatına başladı. Yeni fabrika, Twist’in üretim kapasitesini iki katına çıkarmalıdır.

Ayrıca, elektronik sistemlerden bağımsız olarak verileri koruyabilecek DNA temelli veri depolama oluşturmak üzerinde çalışıyor. Böylece gelişmiş veri depolama teknolojileri DNA’yı doğrudan kullanabilir.

Bu miniaturizasyon, reaksiyon hacimlerini 1.000.000 kat azaltırken, verimliliği 1.000 kat artırmamıza olanak tanır; bu da tek bir silikon çip üzerinde tam ölçekli olarak 9.600 gen sentezlenmesini sağlar.

Şirket, endüstriyel kullanım için DNA ürünleri üretiminde uzman olduğundan, DNA’nın yarı iletken, kimya ve bilişim endüstrileri için nanoyapılar inşa etmede temel bir araç haline gelmesinden büyük ölçüde fayda sağlayabilir; ister talep üzerine DNA kimyasalları, DNA temelli veri depolama, DNA ızgarası vb.

En Son Twist Biosciences (TWST) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeler

Referans Çalışma

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

mm

Jonathan eski bir biyokimya araştırmacısıdır ve genetik analiz ve klinik çalışmalar üzerinde çalışmıştır. Şimdi bir hisse analisti ve finans yazarıdır ve yayınında 'The Eurasian Century' da inovasyon, piyasa döngüleri ve jeopolitika üzerine odaklanmaktadır.