人造DNA晶体的色彩游戏

慕尼黑大学的研究人员利用 DNA 折纸技术，构建了周期为数百纳米的金刚石晶格，这是一种制造可见光半导体的新方法。

蝴蝶翅膀上闪烁的明亮色彩并非来自颜料。相反，光子晶体才是色彩变化的原因。它们的周期性纳米结构允许某些波长的光穿过，同时反射其他波长的光。这使得原本透明的翅膀鳞片呈现出如此绚丽的色彩。对于研究团队来说，自从 35 多年前理论家预测可见光波长的人工光子晶体以来，制造这种晶体一直是一项重大挑战和动力。“光子晶体具有广泛的应用范围。它们已被用于开发更高效的太阳能电池、创新的光波导和量子通信材料。然而，它们的制造非常费力，”Gregor Posnjak 博士解释说。这位物理学家是慕尼黑大学 Tim Liedl 教授研究小组的博士后，他的工作由“电子转换”卓越集群和欧洲研究委员会资助。该团队利用 DNA 纳米技术开发了一种制造光子晶体的新方法。他们的研究成果现已发表在《科学》杂志上。

DNA 链构成的钻石结构

与光刻技术不同，慕尼黑大学团队使用一种称为 DNA 折纸的方法来设计和合成构建块，然后这些构建块会自组装成特定的晶格结构。“人们早就知道，理论上金刚石晶格具有光子晶体的最佳几何形状。在金刚石中，每个碳原子都与另外四个碳原子结合。我们的挑战在于将金刚石晶体的结构扩大 500 倍，以便构建块之间的空间与光的波长相对应，”Tim Liedl 解释道。“我们通过用更大的构建块替换单个原子，将晶格的周期性增加到 170 纳米——在我们的例子中，是通过 DNA 折纸，”Posnjak 说道。

完美的分子折叠技术

这听起来像魔术，其实是 Liedl 团队的专长，该团队是 DNA 折纸和自组装领域的世界领先研究团队之一。为此，科学家们使用了一条长而环状的 DNA 链(由大约 8,000 个碱基组成)和一组 200 个短 DNA 钉。“后者控制较长的 DNA 链折叠成几乎任何形状——类似于折纸大师，他们将纸片折叠成复杂的物体。因此，夹具是一种确定 DNA 折纸物体如何组合以形成所需菱形晶格的手段，”LMU 博士后研究员说。 DNA 折纸构建块形成约 10 微米大小的晶体，这些晶体沉积在基底上，然后传递给慕尼黑工业大学 (TUM) 沃尔特肖特基研究所的合作研究小组：由 Ian Sharp 教授领导的团队(也由“e-conversion”卓越集群资助)能够在 DNA 折纸晶体的所有表面沉积单独的二氧化钛原子层。“DNA 折纸金刚石晶格充当二氧化钛的支架，由于其高折射率，决定了晶格的光子特性。涂层后，我们的光子晶体不允许波长约为 300 纳米的紫外线穿过，而是将其反射，”Posnjak 解释道。反射光的波长可以通过二氧化钛层的厚度来控制。

DNA折纸可以促进光子学的发展

对于在透视 范围内工作的光子晶体，经典的光刻技术是合适的，但费力且昂贵。在可见光和紫外光的波长范围内，光刻方法迄今为止尚未成功。“因此，使用 DNA 折纸在水溶液中自组装的相对简单的制造方法提供了一种强大的替代方案，可以经济高效地大量生产所需尺寸的结构，”Tim Liedl 教授说。他相信，这种具有大孔的独特结构可以通过化学方式寻址，将刺激进一步的研究——例如在能量收集和存储领域。在同一期的《科学》杂志上，由亚利桑那州立大学和慕尼黑工业大学的 Petr Šulc 教授领导的合作研究提出了从斑块胶体设计出不同晶格的理论框架，并通过实验展示了利用 DNA 折纸构造块形成烧绿石晶格的方法，这种方法也可能用于光子应用。

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