Programmeerbare DNA Moiré -superroosters: het uitbreiden van de materiaalontwerpruimte op nanoschaal

Onderzoekers creëren nieuwe Moiré -materialen op de nanometerschaal met behulp van geavanceerde DNA -nanotechnologie. DNA Moiré -superroosters vormen zich wanneer twee periodieke DNA -roosters worden bedekt met een lichte rotatietwist of positionele offset. Dit creëert een nieuw, groter interferentiepatroon met volledig verschillende fysieke eigenschappen.

Een nieuwe aanpak ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart en het Max Planck Institute for Solid State Research vergemakkelijkt niet alleen de complexe constructie van deze superroosters; Het ontgrendelt ook volledig nieuwe ontwerpmogelijkheden op het nanoschaal. De studie is geweest gepubliceerd in het dagboek Natuurnanotechnologie.

Moiré -superroosters zijn centraal geworden in moderne gecondenseerde materie en fotonisch onderzoek. Het realiseren van dergelijke structuren omvat echter meestal delicate en moeizame fabricage-stappen, waaronder precieze afstemming en overdracht van vooraf gefabriceerde lagen onder sterk gecontroleerde omstandigheden. “Onze aanpak omzeilt traditionele beperkingen van het creëren van Moiré -superroosters”, zegt prof. Laura Na Liu, directeur van het 2e Physics Institute aan de Universiteit van Stuttgart.

Nieuw paradigma voor de constructie van Moiré Superlattices

“In tegenstelling tot conventionele methoden die afhankelijk zijn van mechanisch stapelen en draaien van tweedimensionale materialen, maakt ons platform gebruik van een bottom-up assemblageproces”, legt prof. Liu uit. Het assemblageproces verwijst naar het koppelen van individuele DNA -strengen om grotere, geordende structuren te vormen. Het is gebaseerd op zelforganisatie: de DNA-strengen voegen zich samen zonder externe interventie, uitsluitend door moleculaire interacties. Het Stuttgart -onderzoeksteam maakt gebruik van deze speciale functie.

“We coderen voor de geometrische parameters van het superrooster-zoals rotatiehoek, sublattice-afstand en roostersymmetrie-direct in het moleculaire ontwerp van de initiële structuur, bekend als het nucleatiezaad. We laten de hele architectuur toe om zichzelf te assembleren met nanometer precisie.”

Het zaad werkt als een structurele blauwdruk en leidt de hiërarchische groei van 2D-DNA-roosters in nauwkeurig gedraaide dubbellaags of drieagentaars, allemaal bereikt binnen een enkele oplossing-fase-assemblagestap.

Ontdekt Uncharted Territory: Moiré Structures on the Intermediate Nanometer Scale

Terwijl Moiré -superroosters op grote schaal zijn onderzocht op de atomaire (angstrom) en fotonische (submicron) schalen, is het tussenliggende nanometerregime, waar zowel moleculaire programmeerbaarheid als materiaalfunctionaliteit convergeren, grotendeels ontoegankelijk gebleven. De Stuttgart -onderzoekers hebben deze kloof gesloten met hun huidige studie. Het team combineert twee krachtige DNA-nanotechniek: DNA Origami en single-strenged tegel (SST) assemblage.

Met behulp van deze hybride strategie construeerden de onderzoekers micrometer-schaal superroosters met eenheidscelafmetingen zo klein als 2,2 nanometers, met instelbare draaihoeken en verschillende roostersymmetrieën, waaronder vierkant, kagome en honingraat. Ze demonstreerden ook gradiënt Moiré superroosters, waarin de draaihoek en dus moiré -periodiciteit continu varieert over de structuur.

“Deze superroosters onthullen goed gedefinieerde moiré-patronen onder transmissie-elektronenmicroscopie, met waargenomen draaihoeken die nauw overeenkomen met die gecodeerd in het DNA Origami-zaadje”, merkt co-auteur Prof. Peter A. van Aken van het Max Planck Institute for Solid State Research.

De studie introduceert ook een nieuw groeiproces voor Moiré -superroosters. Het proces wordt geïnitieerd door ruimtelijk gedefinieerde vangstanden op het DNA -zaadje die fungeren als moleculaire ‘haken’ om SST’s nauwkeurig te binden en hun interlayer -uitlijning te sturen. Dit maakt de gecontroleerde vorming van gedraaide dubbellaags of drieagenters mogelijk met nauwkeurig uitgelijnde SST -sublattices.

Brede implicaties over moleculaire engineering, nanofotoniek, spintronics en materialenwetenschappen

Hun hoge ruimtelijke resolutie, precieze adressabiliteit en programmeerbare symmetrie schenden de nieuwe Moiré -superroosters met een aanzienlijk potentieel voor diverse toepassingen in onderzoek en technologie. Het zijn bijvoorbeeld ideale steigers voor componenten op nanoschaal – zoals fluorescerende moleculen, metalen nanodeeltjes of halfgeleiders in aangepaste 2D- en 3D -architecturen.

Wanneer chemisch omgezet in rigide frameworks, kunnen deze roosters worden hergebruikt als fononische kristallen of mechanische metamaterialen met instelbare trillingsreacties. Hun ruimtelijke gradiëntontwerp opent ook wegen voor transformatie-optiek en fotonische index fotonische apparaten, waar Moiré periodiciteit licht of geluid langs gecontroleerde trajecten zou kunnen sturen.

Een bijzonder veelbelovende toepassing ligt in spin-selectief elektronentransport. Van DNA is aangetoond dat het werkt als een spinfilter, en deze goed geordende superroosters met gedefinieerde Moiré-symmetrieën zouden kunnen dienen als een platform om topologische spintransportfenomenen te verkennen in een zeer programmeerbare setting.

“Dit gaat niet over het nabootsen van kwantummaterialen”, zegt prof. Liu. “Het gaat erom de ontwerpruimte uit te breiden en het mogelijk te maken om nieuwe soorten gestructureerde materie van onder naar boven te bouwen, met geometrische controle die direct in de moleculen is ingebed.”