Муаровые сверхрешетки стали центральными в современных исследованиях конденсированных сред и фотоники. Однако реализация таких конструкций обычно включает в себя деликатные и трудоемкие этапы изготовления, включая точное выравнивание и перенос предварительно изготовленных слоев в строго контролируемых условиях. "Наш подход позволяет обойти традиционные ограничения, связанные с созданием муаровых сверхрешеток", - говорит профессор. Лаура На Лю, директор 2-^го физического института Штутгартского университета.

Новая парадигма построения муаровых суперрешеток

"В отличие от традиционных методов, основанных на механической укладке и скручивании двумерных материалов, наша платформа использует процесс сборки снизу вверх", - объясняет Лаура На Лю. Процесс сборки относится к соединению отдельных нитей ДНК с образованием более крупных, упорядоченных структур. Она основана на самоорганизации: нити ДНК соединяются вместе без внешнего вмешательства, исключительно посредством молекулярных взаимодействий. Исследовательская группа из Штутгарта использует эту особенность в своих интересах. "Мы кодируем геометрические параметры сверхрешетки - такие как угол поворота, расстояние между подрешетками и симметрия решетки - непосредственно в молекулярный дизайн исходной структуры, известный как зародышеобразование. Затем мы позволяем всей архитектуре самостоятельно собираться с нанометровой точностью". Затравка действует как структурный план, направляя иерархический рост двумерных ДНК-решеток в точно скрученные бислои или трислои, и все это достигается за один этап сборки на стадии растворения.

Исследуем неизведанную территорию: Муаровые структуры среднего нанометрового масштаба

В то время как муаровые сверхрешетки широко исследовались в атомном (ангстрем) и фотонном (субмикронном) масштабах, промежуточный нанометровый режим, в котором сходятся как молекулярная программируемость, так и функциональность материала, оставался в значительной степени недоступным. Исследователи из Штутгарта устранили этот пробел своим текущим исследованием. Команда объединяет две мощные ДНК-нанотехнологии: ДНК-оригами и сборку из одноцепочечных плиток (SST).

Используя эту гибридную стратегию, исследователи сконструировали сверхрешетки микрометрового масштаба с размерами элементарных ячеек всего 2,2 нанометра, отличающиеся настраиваемыми углами скручивания и различными симметриями решетки, включая квадратную, кагоме и сотовую. Они также продемонстрировали градиентные муаровые сверхрешетки, в которых угол закручивания и, следовательно, периодичность муара непрерывно изменяются по всей структуре. "Эти сверхрешетки обнаруживают четко выраженные муаровые узоры при просвечивающей электронной микроскопии, при этом наблюдаемые углы скручивания точно соответствуют тем, которые закодированы в ДНК-зерне оригами", - отмечает соавтор профессор. Питер А. Ван Акен из Института исследований твердого тела Макса Планка.

В исследовании также представлен новый процесс роста муаровых сверхрешеток. Процесс инициируется пространственно определенными цепями захвата на затравке ДНК, которые действуют как молекулярные "крючки" для точного связывания SST и направления их межслойного выравнивания. Это обеспечивает контролируемое формирование скрученных бислоев или трислоев с точно выровненными SST-подрешетками.

Широкое применение в молекулярной инженерии, нанофотонике, спинтронике и материаловедении

Их высокое пространственное разрешение, точная адресуемость и программируемая симметрия наделяют новые муаровые сверхрешетки значительным потенциалом для разнообразных применений в исследованиях и технологиях. Например, они являются идеальными каркасами для наноразмерных компонентов, таких как флуоресцентные молекулы, металлические наночастицы или полупроводники в индивидуальных 2D- и 3D-архитектурах.

Будучи химически преобразованы в жесткие каркасы, эти решетки могут быть перепрофилированы в фононные кристаллы или механические метаматериалы с настраиваемыми колебательными откликами. Их дизайн с пространственным градиентом также открывает возможности для трансформирующей оптики и фотонных устройств с градиентным индексом, где муаровая периодичность может направлять свет или звук по контролируемым траекториям.

Одно из особенно многообещающих применений заключается в спин-селективном переносе электронов. Было показано, что ДНК действует как спиновый фильтр, и эти хорошо упорядоченные сверхрешетки с определенной муаровой симметрией могли бы служить платформой для изучения топологических явлений переноса спина в высокопрограммируемых условиях.

"Речь идет не о имитации квантовых материалов", - говорит Лаура На Лю. "Речь идет о расширении пространства дизайна и создании возможности создавать новые типы структурированной материи снизу вверх, с геометрическим контролем, встроенным непосредственно в молекулы".