ДНК-муарові ґратки дозволяють створювати нові самоорганізуючі матеріали

Метаматеріали ґратки

Новим рубежем у матеріалознавстві є складання мікроскопічних структур у ґратки, складні структури з регулярним, повторюваним візерунком, часто зроблені з перехрещених смужок або ліній.

Ці структури часто повністю змінюють властивості матеріалу, наприклад, роблячи його набагато сильніше, більш гнучкий, відбиваючи світло по-різному, І т.д.

Ці решітки можуть мати різні основні форми, наприклад, квадрати, шестикутні стільники, кагоме, І т.д.

джерело: дослідження Gate

Додатковою можливістю є поєднання 2 шарів ґратчастих матеріалів, що створює ще більш просунуті властивості, що виходять далеко за межі потенціалу окремих шарів. Наприклад, ми обговорювали потенційні надпровідні властивості скрученого бішару, виготовленого з вольфрамово-селенового матеріалу.

Новий подібний тип матеріалу винайшли дослідники з Університету Штутгарта, Університету штату Аризона та Інституту Макса Планка.

Вони створили самобудівну структуру з використанням молекул ДНК, яка може революціонізувати те, як ми контролюємо світло, звук та електрони. Вони опублікували свої результати в престижному науковому журналі Nature Nanotechnology.¹, під назвою «ДНК-муарові надґратки".

Муарові надґратки

Муарові надґратки – це штучні матеріали, створені шляхом накладання двовимірних (2D) матеріалів з малим кутом повороту або невідповідністю ґраток.

джерело: Природа нанотехнології

Ця невідповідність створює додатковий «супервізерунок», який також називають муаровим візерунком, що відрізняється від елементарного візерунка початкових двох ґраток. Взаємодія світла або електронів з муаровим візерунком надає цьому матеріалу нових властивостей.

Досі муарові візерунки в матеріалознавстві були побудовані лише у двох радикально різних масштабах: або на атомному рівні, як, наприклад, з шарами графену (стомільйонна частка сантиметра або 2 нанометра), або на мікроскопічному рівні (тисячна частина метра).

джерело: Природа нанотехнології

Ці продукти, як правило, дуже складні у виробництві, що вимагає ретельні етапи виготовлення, такі як перенесення, укладання, скручування та вирівнювання підґраток.

Однак, муарових надґраток проміжного масштабу, який обчислюється в нанометрах, не існувало. Це тривало доти, доки дослідники не використали ДНК для їх створення.

Надґратки ДНК

ДНК — це дуже особливий тип малої молекули, оскільки вона має природну схильність до самоорганізації у складні структури на нанорівні. Однією з таких структур є ДНК-орігамі-пучок, що складається з взаємопов'язаних спіралей ДНК, який утворив один із будівельних блоків, використаних дослідниками.

джерело: Природа нанотехнології

Другим будівельним блоком були двовимірні підґратки ДНК-мозаїк, що складаються з одноланцюгових плиток (SST), квадратів, гексагональних стільникових структур та форм кагоме. Для перевірки регулярності та якості структури ґраток використовувалися трансмісійні електронні мікроскопи (TEM).

джерело: Природа нанотехнології

Дослідники використали ДНК-пучок орігамі як «насіння», навколо якого природним чином могла б самоорганізуватися набагато більша решітка. Різне насіння створює різні типи решітки ДНК, що дозволяє значно контролювати кінцеву форму.

джерело: Природа нанотехнології

Під час виробництва багато з цих ґраток змішуються разом, створюючи двошарову ґратку з молекул ДНК. Різні умови виробництва, з варіаціями зародків та температури, дозволяють обмежено контролювати частку отриманих двошарових та одношарових ґраток.

джерело: Природа нанотехнології

Аналіз двошарових та тришарових ДНК

Використовуючи скануючу електронну мікроскопію (СЕМ), дослідники продовжили аналіз цих двошарових наноскопічних структур.

Обидва моношари мають висоту ~39.0 нм і ширину близько мікрометра.

джерело: Природа нанотехнології

Коли скручені бішари використовували ідентичні підґратки (квадрат-квадрат, кагоме-кагоме та стільник-стільники), це призводило до майже повного (але не повного) перекриття двох моношарів.

Ці комбінації дали найцікавіші муарові візерунки для двошарових покриттів порівняно зі змішаними візерунками.

джерело: Природа нанотехнології

Дослідникам навіть вдалося створити тришарові візерунки з ще складнішими муаровими візерунками, які також самозбираються.

джерело: Природа нанотехнології

Це не означає, що жоден змішаний шар не демонстрував цікавих візерунків, наприклад, тришаровий шар квадрат-кагоме-квадрат. Також ймовірно, що в майбутньому можна буде створити більше візерунків з різними зародками та структурами ДНК, оскільки це лише перший коли-небудь створений наноскопічний муаровий візерунок.

джерело: Природа нанотехнології

Більший контроль над розробкою цих шаблонів може бути розроблений далі, і дослідники вже розглядають відповідні рішення. Наприклад, зернятко орігамі можна точно розмістити на підкладках за допомогою методів нанофабрикації. Таким чином, його можна буде зібрати в заздалегідь визначених місцях на чіпі.

додатків

Загалом, ця технологія виробництва самоорганізованих решіток ДНК та новий тип матеріалу можуть знайти застосування в будь-якій галузі, що вимагає точного виробництва на нанорівні.

Значною мірою це пояснюється тим, що вони забезпечують майже ідеальне поєднання високої просторової роздільної здатності, точної адресації та програмованої симетрії.

Першим застосуванням такої структури було б використання її як каркаса в наноскопічному масштабі. Наприклад, до неї можна було б прикріпити флуоресцентні молекули, металеві наночастинки або напівпровідники в індивідуальних 2D та 3D архітектурах.

Іншим варіантом може бути перетворення багатошарових решіток на жорсткі каркаси шляхом хімічної модифікації.

Потім їх можна було б перепрофілювати як фононні кристали або механічні метаматеріали з налаштованими вібраційними відгуками, причому такі системи мають багато потенційних застосувань у сенсорах та фотонних обчисленнях.

Зрештою, такі решітки можуть мати властивості спін-селективного транспорту електронів, оскільки відомо, що ДНК фільтрує електрони відповідно до їхнього спіну (квантова характеристика).

«Йдеться не про імітацію квантових матеріалів. Йдеться про розширення простору дизайну та створення можливості для створення нових типів структурованої матерії знизу вгору, з геометричним контролем, вбудованим безпосередньо в молекули».

Пр. Лаура На Лю - Директор в 2-й фізичний інститут Штутгартського університету

Інвестування в ДНК та нанотехнології

Twist Biosciences

Компанія спеціалізується на синтезі ДНК, використання методів мініатюризації з напівпровідникової промисловості, заощаджуючи час і гроші дослідників.

Завдяки розширеним можливостям синтезу ДНК і РНК Twist може швидко стати основним виробником аптамерів, якщо ринок продуктів проти згортання крові зростатиме.

Як «нейтральний» виробник, який зосереджується на забезпеченні найкращих послідовностей нуклеїнових кислот за найкращою ціною, він може стати виробничим партнером для будь-якої фармацевтичної компанії, яка прагне комерціалізувати корисні нуклеїнові кислоти, наприклад зберігання даних або аптамери проти згортання крові.

У січні 2023 р. компанія почала відвантажувати продукцію з нещодавно запущеної другої виробничої установки. Нова фабрика має подвоїти виробничі потужності Twist.

Також працює над створенням Зберігання даних на основі ДНК які можна було б використовувати для захисту даних незалежно від електронних систем. Тож, можливо, передові технології зберігання даних могли б використовувати саму ДНК.

Ця мініатюризація дозволяє нам зменшити обсяги реакцій у 1,000,000 1,000 9,600 разів, одночасно збільшуючи пропускну здатність у XNUMX XNUMX разів, дозволяючи синтезувати XNUMX XNUMX генів на одному кремнієвому чіпі в повному масштабі.

джерело: Twist Biosciences

Оскільки компанія є експертом у виробництві продуктів ДНК для промислового використання, вона могла б отримати велику користь від того, що ДНК стане ключовим інструментом у створенні наноструктур для напівпровідникової, хімічної та обчислювальної промисловості, будь то хімічні речовини ДНК на вимогу, сховище даних на основі ДНК, решітка ДНК тощо.

Останні новини та події щодо акцій Twist Biosciences (TWST)

Посилання на дослідження

^{1. Цзін X., Кронеберг Н., Пейл А. та інші ДНК-муарові надґратки. НатуральнийЮрНанотехнологіїогі. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3}