科学家将 DNA 扭曲成可以改变技术的自构建纳米结构
研究人员正在使用先进的 DNA 纳米技术在纳米尺度上创造新的莫尔材料：当两个周期性 DNA 晶格覆盖有轻微的旋转扭曲或位置偏移时，DNA 莫尔超晶格就会形成。 这会产生一种新的、更大的干涉图案，具有完全不同的物理特性。 斯图加特大学和马克斯·普朗克固体研究所的研究人员开发的一种新方法不仅有助于复杂的结构这些超晶格; 它还在纳米尺度上释放了全新的设计可能性。 该研究已发表在《自然纳米技术》杂志上。 莫尔超晶格已成为现代凝聚态和光子研究的核心。 然而，实现此类结构通常涉及精细而费力的制造步骤，包括在高度受控的条件下精确对准和转移预制层。 “我们的方法绕过了传统的限制创建云纹超晶格，“教授说。 Laura Na Liu，斯图加特大学第二物理研究所所长。 云纹超晶格构建的新范式 “与依赖二维材料机械堆叠和扭曲的传统方法不同，我们的平台利用了自下而上的组装工艺，”Laura Na Liu 解释道。 组装过程是指将单个 DNA 链连接起来以形成更大的、有序的结构。 它基于自组织：DNA 链在没有外部干预的情况下连接在一起，仅通过分子相互作用。 斯图加特研究团队正在利用这一特殊功能。 “我们将超晶格的几何参数（例如旋转角度、亚晶格间距和晶格对称性）直接编码到初始结构的分子设计中，称为成核种子。 然后，我们允许整个架构以纳米级精度自组装。 种子充当结构蓝图，将 2D DNA 晶格分层生长为精确扭曲的双层或三层，所有这些都在单个溶液相组装步骤中实现。 探索未知领域：中间纳米尺度上的莫尔结构 虽然莫尔超晶格已在原子（埃）和光子（亚微米）尺度上得到广泛探索，但中间纳米状态，其中分子可编程性和材料功能Converge 在很大程度上仍然无法访问。 斯图加特的研究人员通过他们目前的研究缩小了这一差距。 该团队结合了两种强大的 DNA 纳米技术：DNA 折纸和单链瓷砖 （SST） 组装。 使用这种混合策略，研究人员构建了微米级的超晶格，晶胞尺寸小至2.2纳米，具有可调的扭曲角度和各种晶格对称性，包括方形、戈薇和蜂窝状。 他们还演示了梯度莫尔超晶格，其中扭曲角度和莫尔周期性在整个结构中连续变化。 “这些超晶格在透射电子显微镜下揭示了明确的莫尔纹图案，观察到的扭曲角度与 DNA 折纸种子中编码的扭曲角度非常匹配，”合著者教授指出。 彼得· 马克斯·普朗克固体研究所的范·阿肯。 该研究还引入了莫尔超晶格的新生长过程。 过程是由 DNA 种子上空间定义的捕获链启动，这些捕获链充当分子“钩子”以精确结合 SST 并指导其层间排列。 这使得扭曲双层或三层的受控形成成为可能，这些双层或三层具有精确对齐的 SST 亚晶格。 在分子工程、纳米光子学、自旋电子学和材料科学方面的广泛影响 它们的高空间分辨率、精确的可寻址性和可编程对称性赋予了新的摩尔超晶格在研究和技术中多样化应用的巨大潜力。 例如，它们是纳米级组件的理想支架，例如定制 2D 和 3D 架构中的荧光分子、金属纳米颗粒或半导体。 当化学转化为刚性框架时，这些晶格可以重新用作具有可调振动响应的声子晶体或机械超材料。 它们的空间渐变设计也为转型开辟了途径光学器件和梯度折射率光子器件，其中摩尔纹周期性可以沿着受控轨迹引导光或声音。 一个特别有前途的应用在于自旋选择性电子传输。 DNA 已被证明可以充当自旋滤波器，这些具有明确莫尔对称性的有序超晶格可以作为在高度可编程的环境中探索拓扑自旋传输现象的平台。 “这不是要模仿量子材料，”劳拉说刘娜. “这是为了扩大设计空间，使自下而上构建新型结构物质成为可能，几何控制直接嵌入到分子中。”