DNA Moiré võred võimaldavad uusi isekogunevaid materjale

Võre metamaterjalid

Materjaliteaduste uus piir on mikroskoopiliste struktuuride kokkupanek võredes – need on keerukad struktuurid, millel on regulaarne, korduv muster, mis on sageli valmistatud ristunud ribadest või joontest.

Need struktuurid muudavad sageli materjali omadusi täielikult, näiteks muutes selle palju tugevam, paindlikum, peegeldab valgust erinevaltJne

Need võred võivad olla erineva põhikujuga, näiteks ruudud, kuusnurksed kärgstruktuurid, kagomeJne

Allikas: ResearchGate

Lisavõimalus on kombineerida kahte võrematerjali kihti, luues veelgi täiustatumaid omadusi, mis ületavad üksikute kihtide potentsiaali. Näiteks arutasime Volfram-seleen materjalist valmistatud keerutatud kaksikkihi potentsiaalsed ülijuhtivusomadused.

Stuttgarti ülikooli, Arizona osariigi ülikooli ja Max Plancki instituudi teadlased on nüüd leiutanud uut tüüpi sarnast materjali.

Nad lõid DNA molekule kasutades iseehitatava struktuuri, mis võiks muuta revolutsiooniliselt seda, kuidas me kontrollime valgust, heli ja elektrone. Nad avaldasid oma tulemused mainekas teadusajakirjas Nature Nanotechnology.¹, pealkirja all "DNA muaree supervõred".

Moiré ülivõred

Muaree supervõred on tehismaterjalid, mis luuakse kahemõõtmeliste (2D) materjalide virnastamisel väikese keerdnurga või võre mittevastavusega.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

See mittevastavus loob täiendava "supermustri", mida nimetatakse ka muaree-mustriks ja mis erineb kahe esialgse võre elementaarmustrist. Valguse või elektronide interaktsioonid muaree-mustriga annavad sellele materjalile uusi omadusi.

Siiani on materjaliteaduses muaree mustreid loodud vaid kahel radikaalselt erineval skaalal: kas aatomitasandil, näiteks grafeenikihtidega (sajas miljondik sentimeetrit ehk 2 nanomeetrit), või mikroskoopilisel skaalal (tuhandik meetrit).

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Selliste toodete tootmine on üldiselt väga keeruline, mistõttu on vaja hoolikad valmistamisetapid, näiteks alamvõrede ülekandmine, virnastamine, keeramine ja joondamine.

Siiski ei olnud nanomeetrites mõõdetuna vahepealse skaala muaree-supervõresid olemas. See oli nii kuni need teadlased kasutasid DNA-d ühe loomiseks.

DNA supervõred

DNA on väga eriline väikemolekuli tüüp, kuna sellel on loomulik kalduvus nanoskaalas iseorganiseeruda keerukateks mustriteks. Üks selline struktuur on DNA origami kimp, mis koosneb omavahel ühendatud DNA heeliksist, mis moodustas ühe teadlaste kasutatud ehitusplokkidest.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Teiseks ehitusplokiks olid kahemõõtmelised DNA plaatide alamvõred, mis koosnesid üheahelalistest plaatidest (SST), ruutudest, kuusnurksetest kärgstruktuuridest ja kagoomi kujunditest. Võre struktuuride korrapärasuse ja kvaliteedi kontrollimiseks kasutati transmissioon-elektronmikroskoope (TEM).

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Teadlased kasutasid DNA origami kimpu "seemnena", mille ümber sai loomulikult iseorganiseeruda palju suurem võre. Erinevad seemned loovad erinevat tüüpi DNA võre, mis võimaldab lõpliku kuju üle suurt kontrolli.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Toodetud kujul segunevad paljud neist võredest kokku, luues DNA molekulidest koosneva kaksikihilise võre. Erinevad tootmistingimused, sh seemnete ja temperatuuri variatsioonid, võimaldavad piiratud kontrolli toodetavate kaksikihiliste ja ühekihiliste võrede osakaalu üle.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

DNA kahe- ja kolmekihiliste kihtide analüüsimine

Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil analüüsisid teadlased neid kahekihilisi nanoskoopilisi struktuure.

Mõlema monokihi kõrgus on ~39.0 nm ja laius umbes mikromeeter.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Kui keerutatud kaksikkihid kasutasid identseid alamvõresid (ruut-ruut, kagome-kagome ja kärgstruktuur-kärgstruktuur), siis see andis kahe monokihi peaaegu täieliku (kuid mitte täieliku) kattumise.

Need olid kombinatsioonid, mis andsid kaksikkihtide puhul kõige huvitavamad muaree mustrid võrreldes segatud mustritega.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Teadlastel õnnestus luua isegi kolmekihilisi mustreid, millel on veelgi keerukamad muaree mustrid ja mis samuti ise kokkupanevad.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

See ei tähenda, et ükski segakiht ei näidanud huvitavaid mustreid, näiteks ruut-kagome-ruutkolmikkihi puhul. Samuti on tõenäoline, et tulevikus saab luua rohkem mustreid erinevate seemnete ja DNA struktuuridega, kuna see on alles esimene kunagi loodud nanoskoopiline muaree muster.

Allikas: Loodus Nanotehnoloogia

Nende mustrite arengu üle saab veelgi rohkem kontrolli saavutada ning teadlased kaaluvad juba lahendusi. Näiteks saab origami seemet nanotootmismeetodite abil täpselt aluspindadele asetada. Sel viisil saab selle kiibil eelnevalt kindlaksmääratud kohtadesse kokku panna.

Rakendused

Üldiselt võiks see ise kokkupandavate DNA-võrede ja uut tüüpi materjali tootmistehnoloogia leida rakendust igas valdkonnas, mis nõuab täpset tootmist nanoskaalas.

See on suuresti tingitud asjaolust, et need pakuvad peaaegu täiuslikku segu kõrgest ruumilisest eraldusvõimest, täpsest adresseeritavusest ja programmeeritavast sümmeetriast.

Sellise struktuuri esimene rakendus oleks selle kasutamine nanoskoopilisel skaalal karkassina. Näiteks oleks sellele saanud kinnitada fluorestseeruvaid molekule, metallilisi nanoosakesi või pooljuhte kohandatud 2D- ja 3D-arhitektuurides.

Teine võimalus võiks olla mitmekihiliste võrede muutmine keemiliste modifikatsioonide abil jäikadeks raamideks.

Seejärel saaks neid ümber kujundada fooniliste kristallide või mehaaniliste metamaterjalidena, millel on häälestatavad vibratsioonivastused, kusjuures sellistel süsteemidel on palju potentsiaalseid rakendusi andurites ja fotoonarvutustes.

Lõpuks võivad sellistel võredel olla spinn-selektiivse elektrontranspordi omadused, kuna DNA on teadaolevalt võimeline elektrone filtreerima vastavalt nende spinnile (kvantkarakteristik).

„Asi ei ole kvantmaterjalide matkimises. Asi on disainiruumi laiendamises ja uut tüüpi struktureeritud aine ehitamise võimaldamises alt ülespoole, kusjuures geomeetriline kontroll on otse molekulidesse sisse põimitud.“

Pr. Laura Na Liu - Juhataja Euroopa 2. Füüsika Instituut Stuttgarti Ülikooli

Investeerimine DNA-sse ja nanotehnoloogiasse

Twist Biosciences

Ettevõte on spetsialiseerunud DNA sünteesile, pooljuhtide tööstuse miniaturiseerimismeetodite võimendamine, mis säästab teadlaste aega ja raha.

Tänu oma täiustatud DNA ja RNA sünteesivõimele võib Twistist kiiresti saada suur aptameeritootja, kui hüübimisvastaste toodete turg kasvab.

"Neutraalse" tootjana, kes keskendub parimate nukleiinhappejärjestuste pakkumisele parima hinnaga, võib see olla valitud tootmispartner igale farmaatsiaettevõttele, kes soovib turustada kasulikke nukleiinhappeid, näiteks andmesalvestust või hüübimisvastased aptameerid.

Jaanuaris 2023 ettevõte alustas toodete tarnimist oma hiljuti käivitatud teisest tootmisseadmest. Uus tehas peaks Twisti tootmisvõimsused kahekordistama.

Samuti tegeletakse loomisega DNA-põhine andmete salvestamine mida saaks kasutada andmete kaitsmiseks elektroonilistest süsteemidest sõltumatult. Seega võiksid täiustatud andmesalvestustehnoloogiad ehk DNA-d ennast kasutada.

See miniaturiseerimine võimaldab meil vähendada reaktsioonimahtusid 1,000,000 1,000 9,600 korda, suurendades samal ajal läbilaskevõimet XNUMX korda, võimaldades sünteesida XNUMX geeni ühel ränikiibil täismahus.

Allikas: Twist Biosciences

Kuna ettevõte on tööstuslikuks kasutamiseks mõeldud DNA-toodete tootmise ekspert, võiks see DNA-st saada olulist kasu pooljuhtide, keemia- ja arvutitööstuse nanostruktuuride loomisel, olgu selleks siis nõudmisel DNA-kemikaalid, DNA-põhine andmesalvestus, DNA-võre jne.

Twist Biosciences'i (TWST) viimased aktsiauudised ja -arengud

Viidatud uuring

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