Совершив ошеломляющий скачок вперед, ученые спроектировали ДНК, которая выступает в качестве молекулярного архитектора, строя сложные муаровые сверхрешетки с беспрецедентным контролем.
Программируя углы скручивания и геометрические узоры непосредственно в нитях ДНК, исследователи создали самоорганизующиеся наноструктуры, которые могут произвести революцию во всем, от оптики до квантовых материалов. Эти решетки, построенные на основе ДНК, формируются сами по себе в растворе, не требуя ручной штабелирования, открывая двери для материалов, которые направляют свет, фильтруют вращение или вибрируют точно настроенным образом — и все это в наномасштабе.
Дизайн, основанный на ДНК, революционизирует сверхрешетки из муара
Сверхрешетки Муара в настоящее время находятся в центре внимания передовых исследований в области физики конденсированных сред и фотоники. Тем не менее, создание таких структур обычно требует кропотливого процесса, включающего высокоточное выравнивание слоев и методы переноса, выполняемые в контролируемых лабораторных условиях.
«Наш подход обходит традиционные ограничения по созданию муаровых сверхрешеток», — говорит профессор Лаура На Лю, директор2-го Института физики Штутгартского университета.
Самособирающийся проект наноразмерных структур
«В отличие от традиционных методов, основанных на механическом укладывании и скручивании двумерных материалов, наша платформа использует процесс сборки снизу вверх», — объясняет Лаура На Лю. Процесс сборки относится к связыванию отдельных нитей ДНК для формирования более крупных, упорядоченных структур. Этот процесс основан на самоорганизации, то есть нити ДНК связываются друг с другом сами по себе посредством молекулярных взаимодействий, без какого-либо внешнего вмешательства.
Команда из Штутгарта построила свой метод на основе этого принципа. «Мы кодируем геометрические параметры сверхрешетки, такие как угол поворота, расстояние между подрешетками и симметрия решетки, непосредственно в молекулярном дизайне исходной структуры, известном как зародышевое зародыше. Затем мы позволяем всей архитектуре самособираться с нанометровой точностью».
Это зародышеобразование действует как инструкция по молекулярному зародышу, направляя рост двумерных решеток ДНК в тщательно скрученные бислои или трислои. Весь процесс происходит за один этап в жидком растворе, без необходимости сложных манипуляций.
Открывая промежуточный нанометровый мир
В то время как муаровые сверхрешетки широко исследовались в атомном (ангстрем) и фотонном (субмикронном) масштабах, промежуточный нанометровый режим, в котором сходятся как молекулярная программируемость, так и функциональность материала, остается в значительной степени недоступным. Исследователи из Штутгарта восполнили этот пробел в своем текущем исследовании. Команда сочетает в себе два мощных нанометода ДНК: ДНК-оригами и сборку одноцепочечной плитки (SST).
Используя эту гибридную стратегию, исследователи построили сверхрешетки микрометрового масштаба с размерами элементарных ячеек всего 2,2 нанометра, с настраиваемыми углами закручивания и различными симметриями решетки, включая квадрат, кагомэ и пчелиные соты. Они также продемонстрировали градиентные муаровые сверхрешетки, в которых угол скручивания и, следовательно, периодичность муара непрерывно изменяются по всей структуре. «Эти сверхрешетки демонстрируют четко определенные муаровые узоры при просвечивающей электронной микроскопии, при этом наблюдаемые углы скручивания близко соответствуют тем, которые закодированы в семенах ДНК-оригами», — отмечает соавтор профессор Питер А. ван Акен из Института исследований твердого тела Макса Планка.
В исследовании также представлен новый процесс роста муаровых сверхрешеток. Процесс инициируется пространственно определенными цепями захвата на семени ДНК, которые действуют как молекулярные «крючки» для точного связывания SST и управления их межслойным выравниванием. Это позволяет контролировать формирование скрученных бислоев или трислоев с точно выровненными подрешетками SST.
Мощные приложения от оптики до спинтроники
Их высокое пространственное разрешение, точная адресация и программируемая симметрия наделяют новые муаровые сверхрешетки значительным потенциалом для различных применений в исследованиях и технологиях. Например, они являются идеальными каркасами для наноразмерных компонентов, таких как флуоресцентные молекулы, металлические наночастицы или полупроводники в специализированных 2D- и 3D-архитектурах.
При химическом преобразовании в жесткие каркасы эти решетки могут быть перепрофилированы в фононные кристаллы или механические метаматериалы с настраиваемыми вибрационными откликами. Их пространственный градиентный дизайн также открывает возможности для трансформационной оптики и фотонных устройств с градиентным индексом, где периодичность муара может направлять свет или звук по управляемым траекториям.
Одно из особенно многообещающих применений заключается в спин-селективном транспорте электронов. Было показано, что ДНК действует как спиновой фильтр, и эти хорошо упорядоченные сверхрешетки с определенными муаровыми симметриями могут служить платформой для исследования топологических явлений спинового переноса в хорошо программируемых условиях.
«Речь идет не о том, чтобы имитировать квантовые материалы», — говорит Лаура На Лю. «Речь идет о расширении пространства для проектирования и создании новых типов структурированной материи снизу вверх, с геометрическим контролем, встроенным непосредственно в молекулы».