Superredes de muaré de ADN programables: ampliación del espacio de diseño de materiales a nanoescala
Amplias implicaciones en ingeniería molecular, nanofotónica, espintrónica y ciencia de materiales
Los investigadores están creando nuevos materiales moiré a escala nanométrica utilizando nanotecnología avanzada de ADN: Las superredes de moiré de ADN se forman cuando dos redes periódicas de ADN se superponen con un ligero giro rotacional o desplazamiento posicional. Se crea así un nuevo patrón de interferencia de mayor tamaño con propiedades físicas completamente distintas. Un nuevo método desarrollado por investigadores de la Universidad de Stuttgart y el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido no sólo facilita la compleja construcción de estas superredes, sino que abre posibilidades de diseño totalmente nuevas a nanoescala. El estudio se ha publicado en la revista Nature Nanotechnology.
Equipo de Stuttgart (de izquierda a derecha): Prof. Laura Na Liu, Dr. Xinxin Jing, Dr. Tobias Heil y Prof. Peter A. van Aken.
2nd Physics Institute, University of Stuttgart
Las superredes de Moiré se han convertido en un elemento central de la investigación moderna en materia condensada y fotónica. Sin embargo, la realización de estas estructuras suele implicar pasos de fabricación delicados y laboriosos, como la alineación y transferencia precisas de capas prefabricadas en condiciones muy controladas. "Nuestro método evita las limitaciones tradicionales de la creación de superredes de moiré", afirma la profesora Laura Na Liu, directora del Instituto de Física 2 de la Universidad de Stuttgart.
Nuevo paradigma para la construcción de superredes de moiré
"A diferencia de los métodos convencionales, que se basan en el apilamiento mecánico y la torsión de materiales bidimensionales, nuestra plataforma aprovecha un proceso de ensamblaje ascendente", explica Laura Na Liu. El proceso de ensamblaje se refiere a la unión de hebras individuales de ADN para formar estructuras más grandes y ordenadas. Se basa en la autoorganización: Las hebras de ADN se unen sin intervención externa, únicamente a través de interacciones moleculares. El equipo de investigación de Stuttgart aprovecha esta particularidad. "Codificamos los parámetros geométricos de la superred -como el ángulo de rotación, el espaciado de la subred y la simetría de la red- directamente en el diseño molecular de la estructura inicial, conocida como semilla de nucleación. A continuación, permitimos que toda la arquitectura se autoensamble con precisión nanométrica". La semilla actúa como modelo estructural, dirigiendo el crecimiento jerárquico de las redes de ADN 2D en bicapas o tricapas retorcidas con precisión, todo ello en un único paso de ensamblaje en fase de disolución.
Explorando territorios inexplorados: Estructuras de muaré a escala nanométrica intermedia
Mientras que las superredes moiré se han explorado ampliamente a escala atómica (angstrom) y fotónica (submicrométrica), el régimen nanométrico intermedio, donde convergen la programabilidad molecular y la funcionalidad material, ha permanecido en gran medida inaccesible. Los investigadores de Stuttgart han cerrado esta brecha con su estudio actual. El equipo combina dos potentes nanotecnologías de ADN: el origami de ADN y el ensamblaje de tejas monocatenarias (SST).
Gracias a esta estrategia híbrida, los investigadores construyeron superredes a escala micrométrica con celdas unitarias de tan sólo 2,2 nanómetros, con ángulos de torsión ajustables y diversas simetrías de red: cuadrada, kagome y de panal. También demostraron superredes con gradiente de moiré, en las que el ángulo de torsión y, por tanto, la periodicidad del moiré varían continuamente a lo largo de la estructura. "Estas superredes muestran patrones de moiré bien definidos mediante microscopía electrónica de transmisión, y los ángulos de torsión observados coinciden estrechamente con los codificados en la semilla de origami de ADN", señala el coautor, el profesor Peter A. van Aken, del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido.
El estudio también introduce un nuevo proceso de crecimiento de superredes de muaré. El proceso se inicia mediante hebras de captura espacialmente definidas en la semilla de ADN que actúan como "ganchos" moleculares para unir con precisión los SST y dirigir su alineación entre capas. Esto permite la formación controlada de bicapas o tricapas retorcidas con subredes de TSM alineadas con precisión.
Amplias implicaciones en ingeniería molecular, nanofotónica, espintrónica y ciencia de materiales
Su alta resolución espacial, direccionabilidad precisa y simetría programable confieren a las nuevas superredes de moaré un gran potencial para diversas aplicaciones en investigación y tecnología. Por ejemplo, son andamios ideales para componentes a nanoescala, como moléculas fluorescentes, nanopartículas metálicas o semiconductores en arquitecturas 2D y 3D personalizadas.
Cuando se transforman químicamente en estructuras rígidas, estas celosías pueden reutilizarse como cristales fonónicos o metamateriales mecánicos con respuestas vibratorias sintonizables. Su diseño de gradiente espacial también abre vías para la óptica de transformación y los dispositivos fotónicos de índice de gradiente, donde la periodicidad del muaré podría dirigir la luz o el sonido a lo largo de trayectorias controladas.
Una aplicación especialmente prometedora es el transporte selectivo de electrones por espín. Se ha demostrado que el ADN actúa como filtro de espín, y estas superredes bien ordenadas con simetrías de muaré definidas podrían servir de plataforma para explorar fenómenos topológicos de transporte de espín en un entorno altamente programable.
"No se trata de imitar materiales cuánticos", afirma Laura Na Liu. "Se trata de ampliar el espacio de diseño y hacer posible la construcción de nuevos tipos de materia estructurada de abajo arriba, con control geométrico incrustado directamente en las moléculas".
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Publicación 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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