Super-redes de Moiré de ADN programáveis: expansão do espaço de conceção de materiais à nanoescala
Amplas implicações na engenharia molecular, nanofotónica, spintrónica e ciência dos materiais
Os investigadores estão a criar novos materiais moiré à escala nanométrica utilizando nanotecnologia avançada de ADN: As super-redes de moiré de ADN formam-se quando duas redes periódicas de ADN são sobrepostas com uma ligeira torção rotacional ou desvio posicional. Isto cria um novo e maior padrão de interferência com propriedades físicas completamente diferentes. Uma nova abordagem desenvolvida por investigadores da Universidade de Estugarda e do Instituto Max Planck para a Investigação do Estado Sólido não só facilita a construção complexa destes super-redes, como também abre possibilidades de conceção inteiramente novas à escala nanométrica. O estudo foi publicado na revista Nature Nanotechnology.
Equipa de Estugarda (da esquerda para a direita): Prof. Laura Na Liu, Dr. Xinxin Jing, Dr. Tobias Heil e Prof. Peter A. van Aken.
2nd Physics Institute, University of Stuttgart
As super-redes de moiré tornaram-se fundamentais para a investigação moderna em matéria condensada e fotónica. No entanto, a realização de tais estruturas envolve normalmente etapas de fabrico delicadas e laboriosas, incluindo o alinhamento preciso e a transferência de camadas pré-fabricadas em condições altamente controladas. "A nossa abordagem ultrapassa os constrangimentos tradicionais da criação de super-redes moiré", afirma a Prof. Laura Na Liu, diretora do 2º Instituto de Física da Universidade de Estugarda.
Novo paradigma para a construção de super-redes de moiré
"Ao contrário dos métodos convencionais que se baseiam no empilhamento mecânico e na torção de materiais bidimensionais, a nossa plataforma utiliza um processo de montagem de baixo para cima", explica Laura Na Liu. O processo de montagem refere-se à ligação de cadeias individuais de ADN para formar estruturas maiores e ordenadas. Baseia-se na auto-organização: As cadeias de ADN unem-se sem intervenção externa, apenas através de interações moleculares. A equipa de investigação de Estugarda está a tirar partido desta caraterística especial. "Codificamos os parâmetros geométricos da super-rede - como o ângulo de rotação, o espaçamento da sub-rede e a simetria da rede - diretamente no desenho molecular da estrutura inicial, conhecida como semente de nucleação. Em seguida, permitimos que toda a arquitetura se auto-monte com uma precisão nanométrica". A semente actua como um modelo estrutural, orientando o crescimento hierárquico das redes de ADN 2D em bicamadas ou tricamadas precisamente torcidas, tudo isto conseguido num único passo de montagem em fase de solução.
Explorando território inexplorado: Estruturas Moiré à escala intermédia de nanómetros
Embora as super-redes moiré tenham sido amplamente exploradas às escalas atómica (angstrom) e fotónica (submicrónica), o regime nanométrico intermédio, para onde convergem a programabilidade molecular e a funcionalidade do material, tem permanecido largamente inacessível. Os investigadores de Estugarda colmataram esta lacuna com o seu estudo atual. A equipa combina duas poderosas nanotécnicas de ADN: O origami de ADN e a montagem de mosaicos de cadeia simples (SST).
Utilizando esta estratégia híbrida, os investigadores construíram super-redes à escala micrométrica com dimensões de célula unitária tão pequenas como 2,2 nanómetros, com ângulos de torção ajustáveis e várias simetrias de rede, incluindo quadrado, kagome e favo de mel. Também demonstraram super-redes de moiré gradiente, nas quais o ângulo de torção e, consequentemente, a periodicidade de moiré varia continuamente ao longo da estrutura. "Estas super-redes revelam padrões de moiré bem definidos sob microscopia eletrónica de transmissão, com ângulos de torção observados que correspondem aos codificados na semente de origami de ADN", observa o coautor, Prof. Peter A. van Aken, do Instituto Max Planck de Investigação do Estado Sólido.
O estudo também introduz um novo processo de crescimento para super-redes de moiré. O processo é iniciado por cadeias de captura espacialmente definidas na semente de ADN que actuam como "ganchos" moleculares para ligar com precisão os SST e orientar o seu alinhamento entre camadas. Isto permite a formação controlada de bicamadas ou tricamadas torcidas com subredes de SST alinhadas com exatidão.
Amplas implicações na engenharia molecular, nanofotónica, spintrónica e ciência dos materiais
A sua elevada resolução espacial, endereçamento preciso e simetria programável conferem às novas super-redes de moiré um potencial significativo para diversas aplicações em investigação e tecnologia. Por exemplo, são suportes ideais para componentes à escala nanométrica - tais como moléculas fluorescentes, nanopartículas metálicas ou semicondutores em arquitecturas 2D e 3D personalizadas.
Quando transformadas quimicamente em estruturas rígidas, estas redes podem ser reutilizadas como cristais fonónicos ou metamateriais mecânicos com respostas vibracionais sintonizáveis. A sua conceção de gradientes espaciais também abre caminhos para a ótica de transformação e para dispositivos fotónicos de índice gradiente, em que a periodicidade do moiré pode conduzir a luz ou o som ao longo de trajectórias controladas.
Uma aplicação particularmente promissora é o transporte de electrões com seleção de spin. Foi demonstrado que o ADN actua como um filtro de spin, e estes super-redes bem ordenados com simetrias moiré definidas podem servir de plataforma para explorar fenómenos topológicos de transporte de spin num ambiente altamente programável.
"Não se trata de imitar materiais quânticos", afirma Laura Na Liu. "Trata-se de expandir o espaço de conceção e tornar possível a construção de novos tipos de matéria estruturada de baixo para cima, com controlo geométrico incorporado diretamente nas moléculas."
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Publicação original
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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