Met behulp van DNA-origami creëren onderzoekers diamantroosters voor toekomstige halfgeleiders van zichtbaar licht

Het glinsteren van vlindervleugels in felle kleuren komt niet voort uit pigmenten. Integendeel, fotonische kristallen zijn verantwoordelijk voor het kleurenspel. Hun periodieke nanostructuur laat licht op bepaalde golflengten door terwijl ze andere golflengten reflecteren. Dit zorgt ervoor dat de vleugelschubben, die in feite transparant zijn, zo prachtig gekleurd lijken.

Voor onderzoeksteams is de vervaardiging van kunstmatige fotonische kristallen voor de golflengten van zichtbaar licht een grote uitdaging en motivatie geweest sinds ze meer dan 35 jaar geleden door theoretici werden voorspeld.

“Fotonische kristallen hebben een veelzijdig scala aan toepassingen. Ze zijn gebruikt om efficiëntere zonnecellen, innovatieve optische golfgeleiders en materialen voor kwantumcommunicatie te ontwikkelen. De productie ervan was echter zeer bewerkelijk”, legt dr. Gregor Posnjak uit.

De natuurkundige is postdoc in de onderzoeksgroep van LMU-professor Tim Liedl. Met behulp van DNA-nanotechnologie heeft het team een ​​nieuwe aanpak ontwikkeld voor de productie van fotonische kristallen. Hun resultaten zijn nu in het tijdschrift gepubliceerd Wetenschap.

Diamantstructuur uit DNA-strengen

In tegenstelling tot lithografische technieken gebruikt het LMU-team een ​​methode genaamd DNA-origami om bouwstenen te ontwerpen en te synthetiseren, die vervolgens zichzelf assembleren tot een specifieke roosterstructuur. ‘Het is al lang bekend dat het diamantrooster theoretisch een optimale geometrie heeft voor fotonische kristallen. In diamanten is elk koolstofatoom gebonden aan vier andere koolstofatomen.

“Onze uitdaging bestond erin de structuur van een diamantkristal met een factor 500 te vergroten, zodat de ruimtes tussen de bouwstenen overeenkomen met de golflengte van het licht”, legt Liedl uit. “We hebben de periodiciteit van het rooster vergroot tot 170 nanometer door de individuele atomen te vervangen door grotere bouwstenen – in ons geval door middel van DNA-origami”, zegt Posnjak.

De perfecte techniek voor het vouwen van moleculen

Wat klinkt als magie is eigenlijk een specialiteit van de Liedl-groep, een van ’s werelds toonaangevende onderzoeksteams op het gebied van DNA-origami en zelfassemblage. Hiervoor gebruiken de wetenschappers een lange, ringvormige DNA-streng (bestaande uit ongeveer 8.000 basen) en een set van 200 korte DNA-nietjes.

“Deze laatste controleren het vouwen van de langere DNA-streng in vrijwel elke vorm – vergelijkbaar met origami-meesters, die stukjes papier tot ingewikkelde objecten vouwen. Als zodanig zijn de klemmen een middel om te bepalen hoe de DNA-origami-objecten zich combineren om te vormen het gewenste diamantrooster”, zegt de postdoctorale onderzoeker van de LMU.

De DNA-origami-bouwstenen vormen kristallen van ongeveer 10 micrometer groot, die op een substraat worden afgezet en vervolgens worden doorgegeven aan een samenwerkende onderzoeksgroep van het Walter Schottky Instituut van de Technische Universiteit van München (TUM): Het team onder leiding van professor Ian Sharp is in staat individuele atomaire lagen titaniumdioxide op alle oppervlakken van de DNA-origamikristallen af ​​te zetten.

“Het DNA-origami-diamantrooster dient als steiger voor titaniumdioxide, dat vanwege zijn hoge brekingsindex de fotonische eigenschappen van het rooster bepaalt. Na het coaten laat ons fotonische kristal geen UV-licht met een golflengte van ongeveer 300 nanometer door. om er doorheen te gaan, maar weerspiegelt het eerder”, legt Posnjak uit. De golflengte van het gereflecteerde licht kan worden geregeld via de dikte van de titaniumdioxidelaag.

DNA-origami kan de fotonica een boost geven

Voor fotonische kristallen die in het infraroodbereik werken, zijn klassieke lithografische technieken geschikt, maar bewerkelijk en duur. In het golflengtebereik van zichtbaar en UV-licht zijn lithografische methoden tot nu toe niet succesvol geweest. “Daarom biedt het relatief eenvoudige productieproces, waarbij gebruik wordt gemaakt van de zelfassemblage van DNA-origami in een waterige oplossing, een krachtig alternatief voor het kosteneffectief en in grotere hoeveelheden produceren van structuren in de gewenste grootte”, zegt Liedl.

Hij is ervan overtuigd dat de unieke structuur met zijn grote poriën, die chemisch adresseerbaar zijn, verder onderzoek zal stimuleren, bijvoorbeeld op het gebied van het oogsten en opslaan van energie.

In nog een artikel in hetzelfde nummer van Wetenschappresenteert een samenwerking onder leiding van prof. Petr Šulc van de Arizona State University en TUM een theoretisch raamwerk voor het ontwerpen van diverse kristallijne roosters uit fragmentarische colloïden, en demonstreert experimenteel de methode door DNA-origami-bouwstenen te gebruiken om een ​​pyrochloorrooster te vormen, dat mogelijk ook zou kunnen zijn gebruikt voor fotonische toepassingen.