Superlattici moiré a DNA programmabili: espansione dello spazio di progettazione dei materiali su scala nanometrica
Ampie implicazioni per l'ingegneria molecolare, la nanofotonica, la spintronica e la scienza dei materiali
I ricercatori stanno creando nuovi materiali moiré su scala nanometrica utilizzando la nanotecnologia avanzata del DNA: I superlattici moiré di DNA si formano quando due reticoli periodici di DNA vengono sovrapposti con una leggera torsione rotazionale o un offset posizionale. In questo modo si crea un nuovo modello di interferenza più grande con proprietà fisiche completamente diverse. Un nuovo approccio sviluppato dai ricercatori dell'Università di Stoccarda e dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido non solo facilita la complessa costruzione di questi superlattici, ma apre anche possibilità di progettazione completamente nuove su scala nanometrica. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.
Il team di Stoccarda (da sinistra a destra): Prof. Laura Na Liu, Dr. Xinxin Jing, Dr. Tobias Heil e Prof. Peter A. van Aken.
2nd Physics Institute, University of Stuttgart
I superlattici moiré sono diventati centrali nella moderna ricerca sulla materia condensata e sulla fotonica. Tuttavia, la realizzazione di tali strutture richiede in genere fasi di fabbricazione delicate e laboriose, tra cui l'allineamento e il trasferimento precisi di strati prefabbricati in condizioni altamente controllate. "Il nostro approccio aggira i vincoli tradizionali della creazione di superlattici moiré", spiega la prof.ssa Laura Na Liu, direttore del 2nd Physics Institute dell'Università di Stoccarda.
Un nuovo paradigma per la costruzione di superlattici moiré
"A differenza dei metodi convenzionali che si basano sull'impilamento e la torsione meccanica di materiali bidimensionali, la nostra piattaforma sfrutta un processo di assemblaggio dal basso verso l'alto", spiega Laura Na Liu. Il processo di assemblaggio si riferisce al collegamento di singoli filamenti di DNA per formare strutture più grandi e ordinate. Si basa sull'auto-organizzazione: I filamenti di DNA si uniscono senza alcun intervento esterno, esclusivamente attraverso interazioni molecolari. Il team di ricerca di Stoccarda sta sfruttando questa caratteristica speciale. "Codifichiamo i parametri geometrici del superlattice - come l'angolo di rotazione, la distanza tra i sublattici e la simmetria del reticolo - direttamente nel progetto molecolare della struttura iniziale, nota come seme di nucleazione. Poi permettiamo all'intera architettura di autoassemblarsi con precisione nanometrica". Il seme agisce come un progetto strutturale, dirigendo la crescita gerarchica dei reticoli di DNA 2D in bilayer o trilayer precisamente attorcigliati, il tutto in un'unica fase di assemblaggio in soluzione.
Esplorare un territorio inesplorato: Strutture moiré su scala nanometrica intermedia
Mentre i superlattici moiré sono stati ampiamente esplorati su scala atomica (angstrom) e fotonica (submicron), il regime intermedio dei nanometri, dove convergono la programmabilità molecolare e la funzionalità dei materiali, è rimasto in gran parte inaccessibile. I ricercatori di Stoccarda hanno colmato questa lacuna con il loro studio attuale. Il team combina due potenti nanotecniche del DNA: l'origami del DNA e l'assemblaggio di piastrelle a singolo filamento (SST).
Utilizzando questa strategia ibrida, i ricercatori hanno costruito superlattici su scala micrometrica con dimensioni delle celle unitarie di 2,2 nanometri, con angoli di torsione regolabili e varie simmetrie reticolari, tra cui quadrata, kagome e a nido d'ape. Hanno anche dimostrato superlattici moiré a gradiente, in cui l'angolo di torsione e quindi la periodicità del moiré variano continuamente attraverso la struttura. "Questi superlattici rivelano schemi moiré ben definiti al microscopio elettronico a trasmissione, con angoli di torsione osservati che corrispondono strettamente a quelli codificati nel seme dell'origami di DNA", osserva il coautore, il Prof. Peter A. van Aken dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido.
Lo studio introduce anche un nuovo processo di crescita per i superlattici moiré. Il processo è avviato da filamenti di cattura spazialmente definiti sul seme di DNA che agiscono come "ganci" molecolari per legare con precisione gli SST e dirigere il loro allineamento interstrato. Ciò consente la formazione controllata di bilayer o trilayer attorcigliati con sottoplacche di SST accuratamente allineate.
Ampie implicazioni per l'ingegneria molecolare, la nanofotonica, la spintronica e la scienza dei materiali.
L'elevata risoluzione spaziale, la precisa indirizzabilità e la simmetria programmabile conferiscono ai nuovi superlattici moiré un potenziale significativo per diverse applicazioni nella ricerca e nella tecnologia. Ad esempio, sono impalcature ideali per componenti in scala nanometrica, come molecole fluorescenti, nanoparticelle metalliche o semiconduttori in architetture personalizzate 2D e 3D.
Se trasformati chimicamente in strutture rigide, questi reticoli potrebbero essere riutilizzati come cristalli fonici o metamateriali meccanici con risposte vibrazionali sintonizzabili. Il loro design a gradiente spaziale apre anche la strada all'ottica di trasformazione e ai dispositivi fotonici a indice gradiente, dove la periodicità del moiré potrebbe indirizzare la luce o il suono lungo traiettorie controllate.
Un'applicazione particolarmente promettente riguarda il trasporto di elettroni spin-selettivo. È stato dimostrato che il DNA agisce come un filtro di spin e questi superlattici ben ordinati con simmetrie moiré definite potrebbero servire come piattaforma per esplorare fenomeni topologici di trasporto di spin in un ambiente altamente programmabile.
"Non si tratta di imitare materiali quantistici", afferma Laura Na Liu. "Si tratta di ampliare lo spazio di progettazione e di rendere possibile la costruzione di nuovi tipi di materia strutturata dal basso verso l'alto, con un controllo geometrico incorporato direttamente nelle molecole".
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Pubblicazione originale
Xinxin Jing, Nicolas Kroneberg, Andreas Peil, Benjamin Renz, Longjiang Ding, Tobias Heil, Katharina Hipp, Peter A. van Aken, Hao Yan and Na Liu. DNA moiré superlattices. Nature Nanotechnology
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