Skimrandet av fjärilsvingar i ljusa färger kommer inte fram från pigment. Snarare är fotoniska kristaller ansvariga för färgspelet. Deras periodiska nanostruktur tillåter ljus vid vissa våglängder att passera genom medan det reflekterar andra våglängder. Detta gör att vingfjällen, som faktiskt är genomskinliga, ser så magnifikt färgade ut.
För forskarlag har tillverkningen av konstgjorda fotoniska kristaller för våglängder för synligt ljus varit en stor utmaning och motivation ända sedan de förutspåddes av teoretiker för mer än 35 år sedan.
"Fotoniska kristaller har ett mångsidigt användningsområde. De har använts för att utveckla effektivare solceller, innovativa optiska vågledare och material för kvantkommunikation. Men de har varit mycket mödosamma att tillverka", förklarar Dr. Gregor Posnjak.
Fysikern är postdoc i forskargruppen till LMU-professor Tim Liedl. Med hjälp av DNA-nanoteknik har teamet utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för tillverkning av fotoniska kristaller. Deras resultat har nu publicerats i tidskriften Science .
Diamantstruktur av DNA-strängar
I motsats till litografiska tekniker använder LMU-teamet en metod som kallas DNA-origami för att designa och syntetisera byggstenar, som sedan självmonteras till en specifik gitterstruktur. "Det har länge varit känt att diamantgittret teoretiskt sett har en optimal geometri för fotoniska kristaller. I diamanter är varje kolatom bunden till fyra andra kolatomer.
"Vår utmaning bestod i att förstora strukturen hos en diamantkristall med en faktor 500, så att utrymmena mellan byggstenarna överensstämmer med ljusets våglängd", förklarar Liedl. "Vi ökade gallrets periodicitet till 170 nanometer genom att ersätta de enskilda atomerna med större byggstenar - i vårt fall genom DNA-origami", säger Posnjak.
Det som låter som magi är faktiskt en specialitet från Liedl-gruppen, ett av världens ledande forskarlag inom DNA-origami och självmontering. För detta ändamål använder forskarna en lång, ringformad DNA-sträng (som består av cirka 8 000 baser) och en uppsättning av 200 korta DNA-häftklamrar.
"De senare kontrollerar vikningen av den längre DNA-strängen till praktiskt taget vilken form som helst - i likhet med origamimästare, som viker pappersbitar till invecklade föremål. Som sådana är klämmorna ett sätt att bestämma hur DNA-origamiobjekten kombineras för att bildas det önskade diamantgittret", säger LMU-postdoktorn.
DNA-origami-byggstenarna bildar kristaller med en storlek på cirka 10 mikrometer, som deponeras på ett substrat och sedan skickas vidare till en samarbetande forskargrupp från Walter Schottky-institutet vid Münchens tekniska universitet (TUM):Teamet ledd av professor Ian Sharp kan avsätta individuella atomlager av titandioxid på alla ytor av DNA-origamikristallerna.
"DNA-origami-diamantgittret fungerar som ställning för titandioxid, som på grund av sitt höga brytningsindex bestämmer gittrets fotoniska egenskaper. Efter beläggning tillåter vår fotonkristall inte UV-ljus med en våglängd på cirka 300 nanometer att passera, utan snarare reflekterar det", förklarar Posnjak. Våglängden på det reflekterade ljuset kan styras via titandioxidskiktets tjocklek.
För fotoniska kristaller som fungerar i det infraröda området är klassiska litografiska tekniker lämpliga men mödosamma och dyra. I våglängdsområdet för synligt ljus och UV-ljus har litografiska metoder hittills inte varit framgångsrika. "Därför erbjuder den jämförelsevis enkla tillverkningsprocessen med självmontering av DNA-origami i en vattenlösning ett kraftfullt alternativ för att producera strukturer i önskad storlek kostnadseffektivt och i större kvantiteter", säger Liedl.
Han är övertygad om att den unika strukturen med sina stora porer, som är kemiskt adresserbara, kommer att stimulera ytterligare forskning – till exempel inom området energiskörd och lagring.
I en annan artikel i samma nummer av Science , ett samarbete som leds av Prof. Petr Šulc från Arizona State University och TUM presenterar ett teoretiskt ramverk för att designa olika kristallina gitter från fläckiga kolloider, och experimentellt demonstrerar metoden genom att använda DNA-origami byggstenar för att bilda ett pyroklorgitter, som potentiellt också skulle kunna vara används för fotoniska tillämpningar.
Mer information: Gregor Posnjak et al, Diamantgitter fotoniska kristaller sammansatta från DNA-origami, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2733
Hao Liu et al, Invers design av ett pyroklorgitter av DNA-origami genom modelldrivna experiment, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl5549
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Ludwig Maximilian University of München
