ساخت اَبَرشبکه‌های موریه‌ای DNA با دقت نانومتری

به گزارش مجله خبری نگار،پژوهشگران در حال ساخت مواد موریه‌ای جدید در مقیاس نانومتر با استفاده از فناوری پیشرفته نانوی DNA هستند؛ اَبَرشبکه‌های موریه‌ای DNA زمانی شکل می‌گیرند که دو شبکه‌ی دوره‌ای DNA با چرخش جزئی یا جابه‌جایی موقعیتی روی یکدیگر قرار گیرند. این هم‌پوشانی، الگوی تداخلی جدید و بزرگ‌تری را با ویژگی‌های فیزیکی کاملاً متفاوت ایجاد می‌کند. رویکرد جدیدی که توسط پژوهشگران دانشگاه اشتوتگارت و مؤسسه ماکس پلانک برای پژوهش در حالت جامد توسعه یافته، نه‌تنها ساخت پیچیده این اَبَرشبکه‌ها را تسهیل می‌کند، بلکه امکان طراحی‌های کاملاً نوینی را نیز در مقیاس نانو فراهم می‌سازد. این مطالعه در نشریه‌ی Nature Nanotechnology منتشر شده است.

اَبَرشبکه‌های موریه‌ای به یکی از موضوعات محوری در پژوهش‌های ماده چگال مدرن و فتونیک تبدیل شده‌اند. با این حال، ساخت چنین ساختار‌هایی معمولاً مستلزم مراحل تولید حساس و پرزحمتی است که شامل تراز دقیق و انتقال لایه‌های ازپیش‌ساخته‌شده تحت شرایط کاملاً کنترل‌شده می‌شود. پروفسور لورا نا لیو، مدیر مؤسسه فیزیک دوم در دانشگاه اشتوتگارت، می‌گوید: «رویکرد ما از محدودیت‌های سنتی در ساخت اَبَرشبکه‌های موریه‌ای عبور می‌کند.»

لورا نا لیو توضیح می‌دهد: «بر خلاف روش‌های متداول که روی هم‌چیدن و پیچاندن مکانیکی مواد دوبعدی متکی هستند، سکوی ما از فرایند مونتاژ پایین‌به‌بالا بهره می‌گیرد» فرایند مونتاژ به پیوند رشته‌های منفرد DNA برای تشکیل ساختار‌های بزرگ‌تر و منظم‌تر اشاره دارد.

این فرایند مبتنی بر خودسازمان‌یابی است؛ رشته‌های DNA بدون دخالت بیرونی و صرفاً از طریق برهم‌کنش‌های مولکولی به هم متصل می‌شوند. تیم پژوهشی اشتوتگارت از این ویژگی خاص بهره می‌برد. «ما پارامتر‌های هندسی اَبَرشبکه مانند زاویه‌ی چرخش، فاصله‌ی زیرشبکه‌ها و تقارن شبکه را مستقیماً در طراحی مولکولی ساختار ابتدایی، موسوم به هسته‌ی تبلور، رمزگذاری می‌کنیم. سپس به کل معماری اجازه می‌دهیم تا با دقت نانومتری به‌طور خودکار مونتاژ شود.» این هسته به‌عنوان نقشه ساختاری عمل می‌کند و رشد سلسله‌مراتبی شبکه‌های دوبعدی DNA را به‌سوی لایه‌های دولایه یا سه‌لایه پیچ‌خورده دقیق هدایت می‌کند؛ همه این فرایند در یک مرحله مونتاژ در محیط محلول انجام می‌شود.

و به نقل از ساینس‌دیلی، در حالی که اَبَرشبکه‌های موریه‌ای به‌طور گسترده در مقیاس اتمی (آنگسترومی) و فتونیک (زیرمیکرونی) بررسی شده‌اند، حوزه میانی در مقیاس نانومتری، جایی که قابلیت برنامه‌ریزی مولکولی و کارکرد ماده با یکدیگر تلاقی می‌کنند، عمدتاً دست‌نایافتنی باقی مانده بود. پژوهشگران اشتوتگارت با مطالعه کنونی این شکاف را پر کرده‌اند. این تیم از ترکیب دو فناوری نانوی قدرتمند DNA استفاده می‌کند؛ اوریگامی DNA و مونتاژ کاشی‌های تک‌رشته‌ای (SST).

با بهره‌گیری از این راهبرد ترکیبی، پژوهشگران موفق به ساخت اَبَرشبکه‌هایی در مقیاس میکرومتر شدند که ابعاد سلول‌های واحد آنها تا ۲٫۲ نانومتر کوچک است و زاویه‌های چرخش و تقارن شبکه‌های مختلفی از جمله مربعی، کاگومه و لانه‌زنبوری دارند. آنها اَبَرشبکه‌های موریه‌ای شیب‌دار را به نمایش گذاشتند که در آن زاویه چرخش و در نتیجه دوره موریه‌ای به‌طور پیوسته در سراسر ساختار تغییر می‌کند.

پروفسور پیتر آ. فن آکن از مؤسسه ماکس پلانک برای پژوهش در حالت جامد، نویسنده همکار این مطالعه، یادآور می‌شود: «این اَبَرشبکه‌ها الگو‌های موریه‌ای کاملاً مشخصی را در میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان می‌دهند و زاویه‌های چرخشی مشاهده‌شده به‌خوبی با آنچه در هسته اوریگامی DNA رمزگذاری شده بود، مطابقت دارند.»

این مطالعه فرایند رشد جدیدی را برای اَبَرشبکه‌های موریه‌ای معرفی می‌کند. این فرایند با رشته‌های گیرنده‌ای که به‌طور فضایی در هسته‌ی DNA تعریف شده‌اند آغاز می‌شود؛ این رشته‌ها همچون «قلاب‌های» مولکولی عمل می‌کنند و SST‌ها را به‌طور دقیق متصل کرده و تراز میان‌لایه‌ای آنها را هدایت می‌کنند. این امکان را فراهم می‌سازد که دولایه‌ها یا سه‌لایه‌های پیچ‌خورده با زیرشبکه‌های SST کاملاً هم‌تراز شکل بگیرند.

وضوح فضایی بالا، قابلیت نشاندار کردن دقیق و تقارن برنامه‌پذیر، اَبَرشبکه‌های موریه‌ای جدید را برای کاربرد‌های گوناگون در پژوهش و فناوری بسیار امیدبخش می‌سازد. برای نمونه، این ساختار‌ها داربست‌هایی ایده‌آل برای اجزای نانومقیاس مانند مولکول‌های فلورسنت، نانوذرات فلزی یا نیمه‌رسانا‌ها در معماری‌های دوبعدی و سه‌بعدی سفارشی هستند.

زمانی که این شبکه‌ها به چارچوب‌های سخت‌شیمیایی تبدیل شوند، می‌توان از آنها به‌عنوان بلور‌های فونونیکی یا مواد متامتریال مکانیکی با پاسخ‌های ارتعاشی قابل تنظیم استفاده کرد. طراحی شیب‌دار فضایی آنها امکان‌هایی برای اپتیک تبدیلی و دستگاه‌های فتونیک با ضریب شکست شیب‌دار فراهم می‌سازد؛ جایی که دوره‌ی موریه‌ای می‌تواند نور یا صوت را در مسیر‌های کنترل‌شده هدایت کند.

یکی از کاربرد‌های بسیار امیدوارکننده در زمینه انتقال الکترون‌های با انتخاب‌گری اسپینی است. نشان داده شده که DNA می‌تواند به‌عنوان فیلتر اسپینی عمل کند و این اَبَرشبکه‌های منظم با تقارن موریه‌ای تعریف‌شده می‌توانند بستری برای بررسی پدیده‌های انتقال اسپینی توپولوژیک در بستری کاملاً برنامه‌پذیر فراهم کنند.

لورا نا لیو می‌گوید: «موضوع تقلید از مواد کوانتومی نیست؛ بلکه گسترش فضای طراحی است، ممکن ساختن ساخت انواع جدیدی از ماده‌های ساختارمند از پایین به بالا، با کنترل هندسی که مستقیماً درون مولکول‌ها کدگذاری شده است.»