DNA-Moiré-Supergitter eröffnen neue Optionen für Nanomaterialien

DNA-Moiré-Supergitter entstehen, wenn zwei periodische DNA-Gitter mit leichtem Drehwinkel übereinandergelegt werden. Es bildet sich ein großflächiges Interferenzmuster mit veränderten physikalischen Eigenschaften. „Unser Ansatz umgeht die traditionellen Einschränkungen bei der Herstellung von Moiré-Supergittern“, erklärt Professorin Laura Na Liu, Leiterin des 2. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart. 

Das Team kombiniert zwei DNA-Nanotechniken: DNA-Origami und Single-Stranded Tile (SST)-Assemblierung. Die geometrischen Parameter wie Drehwinkel oder Gittersymmetrie werden direkt im sogenannten Nukleationskeim kodiert. „Wir kodieren die geometrischen Parameter für das Supergitter wie Drehwinkel, Abstand der Untergitter und Gittersymmetrie direkt in das molekulare Design in die Startstruktur – den sogenannten Nukleationskeim. Dann lassen wir die gesamte Architektur mit Nanometer-Präzision selbst assemblieren“, erläutert Laura Na Liu. 

Die Forschenden konstruierten Mikrometer-große Supergitter mit Einheitszellen von nur 2,2 Nanometern. Die Strukturen zeigen regelbare Drehwinkel und verschiedene Gittersymmetrien wie quadratische, Kagome- und Honigwabenmuster. „Diese Supergittter zeigen klar definierte Moiré-Muster unter dem Transmissions-Elektronenmikroskop“, ergänzt Co-Autor Professor Peter A. van Aken vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. 

Ein neuartiger Wachstumsprozess nutzt sogenannte „Capture Strands“ auf dem Nukleationskeim, die als molekulare „Haken“ fungieren. Sie ermöglichen die kontrollierte Bildung von Doppel- oder Dreifachschichten mit präzise ausgerichteten Untergittern. 

Die programmierbaren Supergitter sind aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung und Symmetrie vielseitig einsetzbar. Potenzielle Anwendungen reichen von Gerüsten für fluoreszierende Moleküle oder Halbleiter bis zu phononischen Kristallen und mechanischen Metamaterialien. Auch für die Spintronik eröffnen sich neue Forschungsfelder, da DNA als Spinfilter wirken kann. „Das Ziel ist es, strukturierte Materie von Grund auf neu zu schaffen und dabei die geometrische Kontrolle direkt in die Moleküle einzubetten“, betont Laura Na Liu. 

COMPAMED.de; Quelle: Universität Stuttgart