Lo scintillio delle ali delle farfalle in colori vivaci non emerge dai pigmenti. Piuttosto, i cristalli fotonici sono responsabili del gioco dei colori. La loro nanostruttura periodica consente alla luce di determinate lunghezze d'onda di passare mentre riflette altre lunghezze d'onda. Questo fa sì che le scaglie delle ali, che in realtà sono trasparenti, appaiano magnificamente colorate.
Per i gruppi di ricerca, la produzione di cristalli fotonici artificiali per le lunghezze d'onda della luce visibile ha rappresentato una grande sfida e motivazione sin da quando furono previsti dai teorici più di 35 anni fa.
"I cristalli fotonici hanno una gamma versatile di applicazioni. Sono stati impiegati per sviluppare celle solari più efficienti, guide d'onda ottiche innovative e materiali per la comunicazione quantistica. Tuttavia, è stato molto laborioso produrli", spiega il dott. Gregor Posnjak.
Il fisico è un postdoc nel gruppo di ricerca del professor Tim Liedl della LMU. Utilizzando la nanotecnologia del DNA, il team ha sviluppato un nuovo approccio per la produzione di cristalli fotonici. I loro risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Science .
Struttura del diamante composta da filamenti di DNA
In contrasto con le tecniche litografiche, il team della LMU utilizza un metodo chiamato DNA origami per progettare e sintetizzare i blocchi costitutivi, che poi si autoassemblano in una specifica struttura reticolare. "È noto da tempo che il reticolo del diamante ha teoricamente una geometria ottimale per i cristalli fotonici. Nei diamanti, ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi di carbonio.
"La nostra sfida consisteva nell'ingrandire di un fattore 500 la struttura di un cristallo di diamante, in modo che gli spazi tra i mattoni corrispondessero alla lunghezza d'onda della luce", spiega Liedl. "Abbiamo aumentato la periodicità del reticolo a 170 nanometri sostituendo i singoli atomi con elementi costitutivi più grandi, nel nostro caso tramite origami di DNA", afferma Posnjak.
Ciò che sembra magia è in realtà una specialità del gruppo Liedl, uno dei gruppi di ricerca leader a livello mondiale nel campo degli origami di DNA e dell'autoassemblaggio. A questo scopo, gli scienziati utilizzano un lungo filamento di DNA a forma di anello (composto da circa 8.000 basi) e un set di 200 brevi punti di DNA.
"Questi ultimi controllano la piegatura del filamento di DNA più lungo praticamente in qualsiasi forma, simile ai maestri dell'origami, che piegano pezzi di carta in oggetti complessi. In quanto tali, i morsetti sono un mezzo per determinare come gli oggetti dell'origami di DNA si combinano per formare il reticolo diamantato desiderato", afferma il ricercatore post-dottorato della LMU.
Gli elementi costitutivi dell'origami del DNA formano cristalli di circa 10 micrometri di dimensione, che vengono depositati su un substrato e poi trasmessi a un gruppo di ricerca collaboratore dell'Istituto Walter Schottky dell'Università Tecnica di Monaco (TUM):il team guidato dal professor Ian Sharp è in grado di depositare singoli strati atomici di biossido di titanio su tutte le superfici dei cristalli di DNA origami.
"Il reticolo del diamante dell'origami del DNA funge da impalcatura per il biossido di titanio, che, a causa del suo elevato indice di rifrazione, determina le proprietà fotoniche del reticolo. Dopo il rivestimento, il nostro cristallo fotonico non consente la luce UV con una lunghezza d'onda di circa 300 nanometri attraversarlo, ma piuttosto lo riflette", spiega Posnjak. La lunghezza d'onda della luce riflessa può essere controllata tramite lo spessore dello strato di biossido di titanio.
Per i cristalli fotonici che lavorano nella gamma degli infrarossi sono adatte le classiche tecniche litografiche ma laboriose e costose. Nella gamma di lunghezze d'onda della luce visibile e UV, i metodi litografici fino ad oggi non hanno avuto successo. "Di conseguenza, il processo di produzione relativamente semplice che utilizza l'autoassemblaggio di origami di DNA in una soluzione acquosa offre una potente alternativa per produrre strutture nella dimensione desiderata in modo economicamente vantaggioso e in quantità maggiori", afferma Liedl.
È convinto che la struttura unica con i suoi grandi pori, che sono chimicamente indirizzabili, stimolerà ulteriori ricerche, ad esempio nel campo della raccolta e dello stoccaggio dell'energia.
In un altro articolo sullo stesso numero di Science , una collaborazione guidata dal Prof. Petr Šulc dell'Arizona State University e TUM presenta un quadro teorico per la progettazione di diversi reticoli cristallini da colloidi irregolari e dimostra sperimentalmente il metodo utilizzando elementi costitutivi di origami di DNA per formare un reticolo di pirocloro, che potenzialmente potrebbe anche essere utilizzato per applicazioni fotoniche.
Ulteriori informazioni: Gregor Posnjak et al, Cristalli fotonici a reticolo di diamante assemblati da origami di DNA, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adl2733
Hao Liu et al, Progettazione inversa di un reticolo di pirocloro di origami di DNA attraverso esperimenti basati su modelli, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adl5549
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dall'Università Ludwig Maximilian di Monaco
