I människokroppen är genetisk information kodad i dubbelsträngade deoxiribonukleinsyra byggstenar, det så kallade DNA. Genom att använda artificiella DNA-molekyler, ett internationellt team av forskare som leds av Cluster of Excellence Nanosystems Initiative München har tagit fram nanostrukturerade material som kan användas för att modifiera synligt ljus genom specifikationer. Forskarna presenterar sina resultat i det aktuella numret av den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Natur .

Det var mycket spänning för några år sedan efter upptäckten av DNA-origamitekniken. Metoden kan användas för att bygga nanopartiklar av en viss form och storlek. Dock, riktiga applikationer, som nano-pincett, förblev utom räckhåll. Ett internationellt team av forskare under ledning av professor Tim Liedl från Ludwig-Maximillians-Universitaet Muenchen och professor Friedrich Simmel från Technische Universitaet Muenchen har nu lyckats bygga nanopartiklar med hjälp av optiskt aktiva DNA-byggstenar som kan användas för att modifiera ljus på mycket specifika sätt .

Koppling av ljus och nanostrukturer kan bidra till att avsevärt minska storleken på optiska sensorer för medicinska och miljömässiga applikationer, samtidigt som de gör dem känsligare. Dock, storleken på en ljusvåg som sträcker sig över 400 till 800 nanometer är gigantisk i jämförelse med nanostrukturer på bara några få nanometer. Men i teorin, när de minsta strukturerna samverkar på mycket specifika sätt, även små föremål kan interagera mycket bra med ljus. Tyvärr är det inte möjligt att producera erforderliga tredimensionella strukturer med nanoskala precision i tillräckliga mängder och renhet med konventionella metoder.

"Med DNA-origami, vi har nu hittat en metod som uppfyller alla dessa krav. Det gör det möjligt att i förväg och med nanometerprecision definiera den tredimensionella formen på objektet som skapas, säger professor Friedrich Simmel, som innehar ordförande för biomolekylära system och bionanoteknik vid TU Muenchen. Programmerad enbart med hjälp av sekvensen av grundläggande byggstenar, nanoelementen viker sig till de önskade strukturerna." Friedrich Simmels team byggde framgångsrikt nanospiraltrappor 57 nanometer höga och 34 nanometer i diameter med 10 nanometer guldpartiklar fästa med jämna mellanrum.

På ytan av guldpartiklarna reagerar elektronerna med ljusets elektromagnetiska fält. Det lilla spelet mellan partiklarna säkerställer att guldpartiklarna i en DNA-sträng arbetar unisont, därigenom förstärker interaktionerna många gånger. Professor Alexander O. Govorov, teoretisk fysiker vid Ohio State University i Aten, USA, hade förutspått att effekten skulle bero på avståndet, metallpartiklarnas storlek och sammansättning. Med hjälp av DNA-origamimetoden, München-fysikerna byggde upp nanostrukturer där de varierade dessa parametrar.

Resultaten av dessa experiment bekräftar sina kollegors förutsägelser i alla avseenden:Vattenlösningar av högerhänta och vänsterhänta nanotapeltrappor skiljer sig synligt i deras interaktioner med cirkulärt polariserat ljus. Spiraltrappor med stora partiklar visar en betydligt starkare optisk respons än de med små partiklar. Den kemiska sammansättningen av partiklarna hade också stor effekt:När guldpartiklarna belades med ett lager silver, den optiska resonansen skiftade från den röda till den kortare vågblå domänen.

Genom att kombinera teoretiska beräkningar och DNA-origamiens möjligheter, forskarna kan nu producera nanooptiska material med exakt specificerade egenskaper. Professor Tim Liedl beskriver den väg forskningen kan följa:"Vi kommer nu att undersöka om vi kan använda denna metod för att påverka brytningsindex för de material vi tillverkar. Material med ett negativt brytningsindex kan användas för att utveckla nya optiska linssystem - så -kallade superlinser."