Bu DNA Yapıları Işığın, Sesin ve Maddenin Kurallarını Baştan Yazabilir
Çarpıcı bir ilerlemeyle, bilim insanları DNA’yı moleküler bir mimar gibi davranacak şekilde tasarlayarak, benzeri görülmemiş bir kontrolle karmaşık moiré süper örgüler inşa ettiler.
Büküm açılarını ve geometrik desenleri doğrudan DNA zincirlerine programlayarak, araştırmacılar optikten kuantum malzemelerine kadar her şeyi kökten değiştirebilecek, kendi kendini birleştiren nanoyapılar yarattılar. DNA tabanlı bu örgüler, çözeltide kendiliğinden oluşuyor, manuel istifleme gerektirmiyor ve ışığı yönlendiren, dönüşü filtreleyen veya hassas bir şekilde ayarlanmış titreşimler oluşturan malzemelere kapı açıyor; üstelik hepsi nanometre ölçeğinde.
DNA Tabanlı Tasarım Moiré Süper Örgülerde Devrim Yaratıyor
Moiré süper örgüler, yoğun madde fiziği ve fotonik alanlarındaki en son araştırmaların odak noktası haline geldi. Ancak bu yapıların inşası genellikle, kontrollü laboratuvar koşulları altında gerçekleştirilen son derece hassas katman hizalama ve transfer tekniklerini içeren titiz bir süreç gerektiriyor.
Stuttgart Üniversitesi 2. Fizik Enstitüsü direktörü Prof. Laura Na Liu, “Yaklaşımımız, moiré süper örgüler oluşturmanın geleneksel kısıtlamalarını aşıyor,” diyor.
Nano Ölçekli Yapılar İçin Kendiliğinden Birleşen Bir Plan
Laura Na Liu, “İki boyutlu malzemelerin mekanik olarak istiflenmesine ve bükülmesine dayanan geleneksel yöntemlerin aksine, platformumuz aşağıdan yukarıya bir birleştirme sürecinden yararlanıyor,” diye açıklıyor. Birleştirme süreci, daha büyük ve düzenli yapılar oluşturmak için tek tek DNA zincirlerinin birbirine bağlanmasını ifade eder. Süreç, kendi kendini organize etmeyle yönlendirilir; yani DNA zincirleri, herhangi bir dış müdahale olmaksızın moleküler etkileşimler yoluyla kendi kendine birbirine bağlanır.
Stuttgart ekibi, yöntemini bu ilke etrafında oluşturdu. “Süper örgünün geometrik parametrelerini -dönme açısı, alt örgü aralığı ve örgü simetrisi gibi- doğrudan çekirdeklenme çekirdeği olarak bilinen ilk yapının moleküler tasarımına kodluyoruz. Daha sonra tüm mimarinin nanometre hassasiyetinde kendiliğinden birleşmesini sağlıyoruz.”
Bu çekirdeklenme tohumu, iki boyutlu DNA kafeslerinin dikkatlice bükülmüş çift veya üç katmana dönüşmesini yönlendiren bir moleküler talimat kılavuzu görevi görür. Tüm süreç, karmaşık bir manipülasyona gerek kalmadan, sıvı bir çözelti içinde tek bir adımda gerçekleşir.
Orta Nanometre Alanının Kilidini Açmak
Moiré süperörgüleri atomik (angstrom) ve fotonik (mikron altı) ölçeklerde yaygın olarak araştırılmış olsa da, hem moleküler programlanabilirliğin hem de malzeme işlevselliğinin birleştiği orta nanometre rejimi büyük ölçüde erişilemez kalmıştır. Stuttgart araştırmacıları, mevcut çalışmalarıyla bu boşluğu doldurmuştur. Ekip, iki güçlü DNA nanotekniğini bir araya getiriyor: DNA origamisi ve tek zincirli karo (SST) montajı.
Bu hibrit stratejiyi kullanarak araştırmacılar, ayarlanabilir büküm açıları ve kare, kagome ve petek gibi çeşitli kafes simetrilerine sahip, birim hücre boyutları 2,2 nanometre kadar küçük olan mikrometre ölçeğinde süperörgüler inşa ettiler. Ayrıca, büküm açısının ve dolayısıyla moiré periyodikliğinin yapı boyunca sürekli değiştiği gradyan moiré süperörgülerini de gösterdiler. Max Planck Katı Hal Araştırmaları Enstitüsü’nden ortak yazar Prof. Peter A. van Aken, “Bu süper kafesler, transmisyon elektron mikroskobu altında iyi tanımlanmış moiré desenleri ortaya koyuyor ve gözlemlenen büküm açıları, DNA origami tohumunda kodlanan açılarla büyük ölçüde uyuşuyor,” diyor.
Çalışma ayrıca, moiré süper kafesler için yeni bir büyüme süreci de sunuyor. Bu süreç, SST’leri hassas bir şekilde bağlamak ve katmanlar arası hizalanmalarını yönlendirmek için moleküler “kancalar” görevi gören DNA tohumu üzerindeki uzamsal olarak tanımlanmış yakalama iplikleri tarafından başlatılıyor. Bu, SST alt kafesleri doğru bir şekilde hizalanmış bükülmüş çift katmanların veya üç katmanların kontrollü oluşumunu sağlıyor.
Optikten Spintroniklere Güçlü Uygulamalar
Yüksek uzamsal çözünürlükleri, hassas adreslenebilirlikleri ve programlanabilir simetrileri, yeni moiré süperkafeslerine araştırma ve teknolojide çeşitli uygulamalar için önemli bir potansiyel kazandırmaktadır. Örneğin, özelleştirilmiş 2B ve 3B mimarilerde floresan moleküller, metalik nanopartiküller veya yarı iletkenler gibi nano ölçekli bileşenler için ideal iskelelerdir.
Bu kafesler, kimyasal olarak sert çerçevelere dönüştürüldüklerinde, ayarlanabilir titreşim tepkilerine sahip fononik kristaller veya mekanik metamalzemeler olarak yeniden kullanılabilirler. Uzamsal gradyan tasarımları, moiré periyodikliğinin ışığı veya sesi kontrollü yörüngeler boyunca yönlendirebildiği dönüşüm optiği ve gradyan indeksli fotonik cihazlar için de yollar açar.
Özellikle umut vadeden bir uygulama, spin seçici elektron taşınımıdır. DNA’nın bir spin filtresi görevi gördüğü gösterilmiştir ve tanımlanmış moiré simetrilerine sahip bu iyi düzenlenmiş süperkafesler, son derece programlanabilir bir ortamda topolojik spin taşınım fenomenlerini keşfetmek için bir platform görevi görebilir.
Laura Na Liu, “Bu, kuantum malzemelerini taklit etmekle ilgili değil,” diyor. “Bu, tasarım alanını genişletmek ve geometrik kontrolün doğrudan moleküllere yerleştirildiği, aşağıdan yukarıya yeni yapılandırılmış madde türleri oluşturmayı mümkün kılmakla ilgili.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Çinli Bilim İnsanları DNA İpliklerinden Yapay Sinir Ağı Oluşturdu