پژوهشگران دانشگاه اشتوتگارت موفق به توسعه‌ی روشی نوین شده‌اند که در آن، DNA نه‌تنها به‌عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی، بلکه به‌مثابه‌ی یک معمار مولکولی برای ساخت سازه‌های نانومتری پیچیده موسوم به "ابرشبکه‌های مویری" (Moiré Superlattices) عمل می‌کند. این پیشرفت می‌تواند چشم‌انداز طراحی مواد در حوزه‌هایی، چون اپتیک، اسپینترونیک و مواد کوانتومی را دگرگون سازد.
طراحی مولکولی با استفاده از DNA برای ساخت خودآرای ابرشبکه‌ها
در این پژوهش دانشمندان توانسته‌اند زوایای پیچش، تقارن هندسی و سایر پارامتر‌های ساختاری سازه‌های دوبعدی را مستقیماً در توالی DNA رمزگذاری کنند. در نتیجه، این ساختار‌ها به‌طور خودآرا (Self-Assembling) و تنها با استفاده از واکنش‌های مولکولی در محلول شکل می‌گیرند، بی‌نیاز از هرگونه چیدمان یا انباشت دستی.
به گفته‌ی لورا نا لیو مدیر مؤسسه فیزیک دوم در دانشگاه اشتوتگارت: رویکرد ما بسیاری از محدودیت‌های مرسوم در ساخت ابرشبکه‌های مویری را حذف می‌کند و امکان طراحی سازه‌هایی با دقت نانومتری را تنها از طریق برنامه‌ریزی مولکولی فراهم می‌آورد.
گذر از روش‌های مکانیکی به مونتاژ مولکولی
در روش‌های رایج، ساخت ابرشبکه‌های مویری نیازمند تراز دقیق و مکانیکی لایه‌های دوبعدی در شرایط بسیار کنترل‌شده آزمایشگاهی است. اما تیم اشتوتگارت با استفاده از فرآیند مونتاژ از پایین به بالا (Bottom-Up Assembly) و به‌کارگیری طراحی موسوم به "بذر تبلور" (Nucleation Seed)، موفق شده ساختار‌هایی با نظم هندسی دلخواه را به‌صورت خودکار شکل دهد.
در این فرآیند کلیه ویژگی‌های هندسی مانند زاویه چرخش، فاصله زیرشبکه‌ای و تقارن ساختار در قالب طراحی بذر DNA تعریف می‌شوند. سپس سایر اجزای DNA از طریق تعامل‌های مولکولی به این بذر متصل شده و ساختار نهایی را با دقت نانومتری تشکیل می‌دهند.
گشودن دروازه به قلمرو ناشناخته نانومتری
در حالی که ابرشبکه‌های مویری در مقیاس‌های اتمی (آنگسترومی) و فوتونی (ساب‌میکرونی) به‌خوبی مطالعه شده‌اند، بازه‌ی میانی نانومتری – که در آن برنامه‌پذیری مولکولی و عملکرد ماده با هم تلاقی می‌کنند – تاکنون کمتر قابل دسترسی بوده است. تیم پژوهشی با بهره‌گیری هم‌زمان از فناوری‌های DNA اوریگامی (DNA Origami) و مونتاژ با کاشی‌های تک‌رشته‌ای (SST)، موفق به ساخت ابرشبکه‌هایی در ابعاد میکرونی با واحد‌های ساختاری در اندازه‌ی تنها ۲.۲ نانومتر شده‌اند.
این شبکه‌ها شامل انواع مختلفی از تقارن‌های شبکه‌ای همچون مربعی، کاگومه و لانه‌زنبوری هستند. همچنین، نوعی طراحی شیب‌دار نیز معرفی شده که در آن زاویه چرخش و به‌تبع آن الگوی مویری به‌صورت پیوسته در طول ساختار تغییر می‌کند.
به گفته‌ی پیتر فن آکن از مؤسسه ماکس پلانک، این ابرشبکه‌ها الگو‌های مویری قابل مشاهده‌ای را در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نشان می‌دهند و زوایای پیچش مشاهده‌شده کاملاً با مقادیر برنامه‌ریزی‌شده در بذر DNA مطابقت دارند.
نوآوری در فرآیند رشد لایه‌ای
در این مطالعه فرآیند رشد ابرشبکه‌ها از طریق رشته‌های گیرنده‌ای که در مکان‌های خاصی روی بذر DNA قرار گرفته‌اند آغاز می‌شود. این رشته‌ها به‌عنوان قلاب‌های مولکولی عمل کرده و اجزای SST را با دقت در محل خود تثبیت و لایه‌بندی می‌کنند. بدین ترتیب، امکان ساخت سازه‌های دو یا سه‌لایه با تراز دقیق زیرشبکه‌ها فراهم می‌شود.
کاربرد‌های گسترده از فوتونیک تا اسپینترونیک
این ابرشبکه‌ها به دلیل تقارن‌های قابل برنامه‌ریزی، آدرس‌پذیری بالا و دقت فضایی نانومتری، بستر مناسبی برای ترکیب با اجزای نانومقیاس مانند مولکول‌های فلورسانس، نانوذرات فلزی یا نیمه‌رسانا‌ها در آرایش‌های دو بعدی و سه‌بعدی محسوب می‌شوند.
در صورت تبدیل شیمیایی به چارچوب‌های سخت، این سازه‌ها می‌توانند به‌عنوان کریستال‌های فونونی یا مواد متامتریال مکانیکی با پاسخ‌های ارتعاشی تنظیم‌پذیر مورد استفاده قرار گیرند. طراحی شیب‌دار آنها همچنین می‌تواند در ساخت تجهیزات فوتونیکی گرادیان‌نما یا ابزار‌های اپتیکی تبدیل، که در آنها الگوی مویری مسیر نور یا صوت را هدایت می‌کند، کاربرد داشته باشد.
یکی از چشم‌انداز‌های بسیار نویدبخش، استفاده از این شبکه‌ها در انتقال الکترون با انتخاب اسپین است. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که DNA می‌تواند نقش فیلتر اسپینی ایفا کند، و ابرشبکه‌های منظم با تقارن‌های مویری دقیق، بستر مناسبی برای بررسی پدیده‌های انتقال توپولوژیکی اسپین در بستری برنامه‌پذیر فراهم می‌آورند.
لورا نا لیو در پایان تأکید می‌کند: هدف ما تقلید از مواد کوانتومی نیست، بلکه گسترش مرز‌های طراحی ماده و ساخت سازه‌هایی نو از پایین به بالا با کنترل هندسی در سطح مولکولی است.
انتهای پیام/