Mokslininkai kalba apie naują medžiagų eros pradžią: DNR savaime kuria nanoskopines gardeles

Šios struktūros formuojasi pačios, be žmogaus įsikišimo, ir gali atverti duris į naujus optikos, medžiagų mokslo bei kvantinės fizikos taikymus.„Moiré“ struktūros jau seniai domina tyrėjus, besidominčius pažangiomis medžiagomis. Tačiau iki šiol jų kūrimas reikalavo itin tikslaus dvimačių sluoksnių suderinimo laboratorijos sąlygomis. Naujas požiūris, kurį taiko Štutgarto universiteto mokslininkai, leidžia tai pasiekti savaime organizuojantis DNR molekulėms.

Tyrimo vadovė profesorė Laura Na Liu paaiškina, kad vietoj mechaninio sluoksnių sukimo mokslininkai naudojo DNR kaip statybinę medžiagą, kurioje iš anksto užkoduojama visa geometrija. Pradinė DNR struktūra, vadinama branduoliu, veikia kaip instrukcija visai gardelei, nurodydama, kaip turi būti išsidėsčiusios grandinės, kokie jų sukimo kampai ir simetrijos. Tokiu būdu visa struktūra susiformuoja vienaip ar kitaip tiesiog tirpale, be papildomų manipuliacijų.

Atrasta iki šiol sunkiai pasiekiama nanosritis

„Moiré“ struktūros jau buvo tyrinėjamos atominiu ir mikroniniu mastu, tačiau vidutinis nanometrų intervalas iki šiol buvo sunkiai prieinamas. Štutgarto tyrėjai, naudodami DNR origamį ir vienos grandinės plytelių metodą, sugebėjo sukurti mikrometrinio dydžio gardeles su vos 2,2 nanometrų langeliais. Jie pasiekė įvairias simetrijas, tai kvadratines, šešiakampes, net ir retas kagome struktūras.

Be to, tyrime pavyko sukurti gradientines gardeles, kuriose sukimo kampas nuosekliai keičiasi per visą struktūrą. Tai leido atskleisti aiškias „moiré“ formas naudojant elektroninę mikroskopiją, o stebimi parametrai atitiko tai, kas buvo užkoduota pačioje DNR.

Nauji taikymo horizontai nuo optikos iki elektronikos

Dėl tikslaus valdymo, šios struktūros gali būti naudojamos kaip karkasai šviesą skleidžiančioms molekulėms, metaliniams nanodalelėms ar puslaidininkiams. Kai jos chemiškai sustiprinamos, tampa kietomis struktūromis, kurios gali veikti kaip fononiniai kristalai arba mechaninės medžiagos, reaguojančios į vibracijas.

Be to, struktūrų geometrinis gradiento dizainas gali būti pritaikytas optikoje, pavyzdžiui, šviesos ar garso kreipimui norima kryptimi. Vienas iš įdomiausių galimų panaudojimų yra sukimosi selektyvus elektronų transportas. DNR jau yra žinoma kaip molekulė, galinti filtruoti elektronų sukimąsi, todėl naujos gardelės galėtų būti puiki platforma tyrinėti topologinius reiškinius kvantiniu lygmeniu.

Kaip teigia tyrimo vadovė, čia svarbiausia ne tai, kad šios struktūros imituoja jau žinomas medžiagas, bet kad jos atveria galimybę kurti visiškai naujus medžiagų tipus iš apačios į viršų, geometriškai valdant pačias molekules. Tai pažangus žingsnis link ateities, kur molekulės ne tik perduoda informaciją, bet ir konstruoja sudėtingas, funkcionalias sistemas.