Ved hjælp af DNA-origami skaber forskere diamantgitter til fremtidige halvledere af synligt lys

Diamantstruktur ud af DNA-strenge

I modsætning til litografiske teknikker bruger LMU-teamet en metode kaldet DNA-origami til at designe og syntetisere byggeklodser, som derefter selv samles til en specifik gitterstruktur. "Det har længe været kendt, at diamantgitteret teoretisk har en optimal geometri for fotoniske krystaller. I diamanter er hvert kulstofatom bundet til fire andre kulstofatomer.

"Vores udfordring bestod i at forstørre strukturen af ​​en diamantkrystal med en faktor på 500, så mellemrummene mellem byggestenene svarer til lysets bølgelængde," forklarer Liedl. "Vi øgede gitterets periodicitet til 170 nanometer ved at erstatte de individuelle atomer med større byggesten - i vores tilfælde gennem DNA-origami," siger Posnjak.

Den perfekte molekylefoldningsteknik

Det, der lyder som magi, er faktisk et speciale fra Liedl-gruppen, et af verdens førende forskerhold inden for DNA-origami og selvsamling. Til dette formål bruger forskerne en lang, ringformet DNA-streng (bestående af omkring 8.000 baser) og et sæt på 200 korte DNA-hæfteklammer.

"Sidstnævnte styrer foldningen af ​​den længere DNA-streng til praktisk talt enhver form overhovedet - beslægtet med origami-mestre, der folder stykker papir til indviklede objekter. Som sådan er klemmerne et middel til at bestemme, hvordan DNA-origami-objekterne kombineres og dannes det ønskede diamantgitter,« siger LMU-postdoc-forskeren.

DNA-origami-byggestenene danner krystaller på cirka 10 mikrometer store, som aflejres på et substrat og derefter videregives til en samarbejdende forskergruppe fra Walter Schottky Institute ved Münchens Tekniske Universitet (TUM):Holdet ledet af professor Ian Sharp er i stand til at afsætte individuelle atomlag af titaniumdioxid på alle overflader af DNA-origami-krystallerne.

"DNA-origami-diamantgitteret fungerer som stillads for titaniumdioxid, som på grund af dets høje brydningsindeks bestemmer gitterets fotoniske egenskaber. Efter belægning tillader vores fotoniske krystal ikke UV-lys med en bølgelængde på omkring 300 nanometer at passere igennem, men snarere afspejler det,« forklarer Posnjak. Bølgelængden af ​​det reflekterede lys kan styres via tykkelsen af ​​titaniumdioxidlaget.

DNA-origami kunne booste fotonik

Til fotoniske krystaller, der virker i det infrarøde område, er klassiske litografiske teknikker velegnede, men besværlige og dyre. I bølgelængdeområdet for synligt lys og UV-lys har litografiske metoder ikke været succesfulde til dato. "Som følge heraf tilbyder den forholdsvis nemme fremstillingsproces ved hjælp af selvsamling af DNA-origami i en vandig opløsning et stærkt alternativ til at producere strukturer i den ønskede størrelse omkostningseffektivt og i større mængder," siger Liedl.

Han er overbevist om, at den unikke struktur med dens store porer, som er kemisk adresserbare, vil stimulere yderligere forskning - for eksempel inden for energihøst og -lagring.

I en anden artikel i samme nummer af Science , et samarbejde ledet af prof. Petr Šulc fra Arizona State University og TUM præsenterer en teoretisk ramme for design af forskelligartede krystallinske gittere fra pletvis kolloider, og eksperimentelt demonstrerer metoden ved at bruge DNA-origami-byggesten til at danne et pyrochlor-gitter, som potentielt også kunne være bruges til fotoniske applikationer.

Flere oplysninger: Gregor Posnjak et al., Diamantgitter fotoniske krystaller samlet fra DNA-origami, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2733

Hao Liu et al., Omvendt design af et pyrochlorgitter af DNA-origami gennem modeldrevne eksperimenter, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl5549

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Ludwig Maximilian University of München