Ученые придумали, как собирать сложнейшие наноматериалы с помощью ДНК. Представьте, что происходит, когда вы накладываете два листа в клетку друг на друга и слегка поворачиваете один. Появляется новый, более крупный узор — муар. Точно такие же муаровые узоры, только в наномасштабе, исследователи из Университета Штутгарта и Института исследований твердого тела Общества Макса Планка теперь научились создавать из молекул ДНК.

Раньше создать такие структуры было невероятно сложно. Это напоминало ювелирную работу: ученые брали готовые ультратонкие слои и вручную, с ювелирной точностью, совмещали их под нужным углом. Новый метод все меняет. Процесс стал похож на выращивание кристалла, а не на сборку микросхемы.

Подробности опубликованы в издании Nature Physics.

Наш подход обходит традиционные ограничения, — говорит профессор Лаура На Лю, директор 2-го физического института в Университете Штутгарта.

Вместо механического скручивания слоев ее команда использует принцип самосборки. Ученые создают специальную «затравку» — молекулярный чертеж, в который уже заложены все параметры будущей решетки: угол поворота, расстояние между элементами, симметрия узора. Эту затравку помещают в раствор, и дальше ДНК-структуры собираются сами, без всякого вмешательства, как по волшебству.

Команда соединила две мощные методики:

• ДНК-оригами: создание из ДНК сложных фигур и структур.
• Сборку из одноцепочечных плиток (SST): использование множества коротких нитей ДНК как кирпичиков для построения больших массивов.

Это позволило им создавать идеальные муаровые суперрешетки размером в микрометры с мельчайшими ячейками всего в 2.2 нанометра. Они задавали разные углы скручивания и типы симметрии — квадратную, кагоме, соты. Они даже вырастили градиентные решетки, где угол плавно меняется по всей структуре, а за ним меняется и муаровый узор.

Эти решетки демонстрируют четкие муаровые узоры под электронным микроскопом, и заданные углы идеально совпадают с теми, что были закодированы в затравке, — подтверждает соавтор работы профессор Петер А. ван Акен.

Польза от этой технологии огромна. Такие идеальные ДНК-решетки — это идеальный каркас или строительные леса для наномира. На них можно, как на основу, аккуратно и точно разместить другие объекты с помощью молекулярных «крючков»:

• Квантовые точки и светящиеся молекулы для нанофотоники.
• Металлические наночастицы для плазмоники.
• Полупроводники для электроники нового типа.

Если потом сделать такую ДНК-структуру жесткой, например, покрыть металлом, она может превратиться в фононный кристалл — материал, который умеет управлять колебаниями тепла и звука. А градиентные структуры открывают путь к созданию устройств, которые плавно изгибают световые лучи.

Но, пожалуй, самое интересное — это спинтроника. Известно, что молекулы ДНК могут пропускать электроны с определенным спином. Упорядоченные муаровые решетки из ДНК могут стать первой в мире программируемой платформой для изучения и управления спинами электронов, что сулит прорыв в создании квантовых компьютеров.

Речь идет не о том, чтобы повторить существующие квантовые материалы, — подчеркивает Лаура На Лю. — Мы расширяем пространство для дизайна и позволяем создавать с нуля совершенно новые типы структур, с геометрией, которая зашита прямо в молекулы.

Реальная польза этого исследования лежит в двух плоскостях: технологической и фундаментальной. В ближайшей перспективе (5-10 лет) эта технология — идеальный инструмент для нанопроизводства. Она позволяет с невиданной точностью расставлять наночастицы, квантовые точки и молекулы в пространстве. Это прямой путь к созданию оптических метаповерхностей нового поколения для сверхтонких линз, камер в смартфонах или систем лидаров, а также к более эффективным сенсорам для медицинской диагностики.

В долгосрочной перспективе главная ценность — в создании принципиально новых материалов, аналогов которым просто нет в природе. Мы можем программировать не только структуру, но и ее динамические свойства: например, как материал будет проводить тепло, реагировать на механическое напряжение или взаимодействовать со светом. Это открывает путь к материалам с программируемыми функциями, словно это не кусок вещества, а миниатюрное электронное устройство.

Основное «узкое место» метода — стабильность и долговечность ДНК-структур. ДНК — это биологическая молекула, которая в естественных условиях подвержена разрушению под воздействием температуры, ферментов или химически агрессивных сред. Для большинства практических применений в электронике или фотонике полученные каркасы необходимо будет превращать в неорганические (например, путем покрытия металлом или кремнием), сохраняя при этом их идеальную структуру. В статье, скорее всего, этот ключевой вопрос последующей обработки лишь обозначен, но не решен окончательно. Успех всего предприятия будет напрямую зависеть от того, насколько эффективно и воспроизводимо ученые научатся проводить эту трансформацию, не разрушая хрупкое творение ДНК-нанотехнологов.

Ранее ученые нашли новый муаровый узор.