Diamond Sparkle: Jugando con el color con cristales de ADN sintético

Utilizando origami de ADN, los investigadores de LMU han construido una red de diamantes con una periodicidad de hasta cientos de nanómetros, un nuevo enfoque para fabricar semiconductores de luz visible.

El brillo de las alas de las mariposas en colores brillantes no es causado por pigmentos. Más bien, los cristales ópticos son los encargados de jugar con los colores. Su nanoestructura periódica permite que la luz en ciertas longitudes de onda pase mientras refleja otras longitudes de onda. Esto hace que las escamas de las alas, que en realidad son translúcidas, parezcan de colores brillantes. Para los equipos de investigación, fabricar cristales fotónicos artificiales para longitudes de onda de luz visible ha sido un gran desafío y una motivación desde que fueron predichos por los teóricos hace más de 35 años. «Los cristales fotónicos tienen múltiples aplicaciones. Se han utilizado para desarrollar células solares más eficientes, guías de ondas ópticas innovadoras y materiales para la comunicación cuántica. Sin embargo, su fabricación ha sido extremadamente laboriosa», explica el Dr. Gregor Bosnjak. El físico es uno de los investigadores postdoctorales del grupo de investigación del profesor Tim Liddell de LMU, cuyo trabajo está financiado por el Electronic Transfer Cluster of Excellence y el Consejo Europeo de Investigación. Utilizando nanotecnología del ADN, el equipo desarrolló un nuevo método para fabricar cristales fotónicos. Sus resultados han sido publicados ahora en la revista. Ciencias.

Estructura de diamante de las hebras de ADN.

A diferencia de las técnicas de litografía, el equipo de LMU utiliza un método llamado origami de ADN para diseñar y sintetizar bloques de construcción, que luego se autoensamblan en una estructura reticular específica. “Se sabe desde hace mucho tiempo que la red del diamante tiene una geometría teóricamente ideal para los cristales fotónicos. En el diamante, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos de carbono. Nuestro desafío era expandir la estructura cristalina del diamante en un factor de 500. Los espacios entre los bloques de construcción corresponden a la longitud de onda de la luz. “Aumentamos la periodicidad de la red a 170 nanómetros reemplazando átomos individuales con bloques de construcción más grandes, en nuestro caso mediante origami de ADN”, dice Bosnjak.

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Tecnología de plegado molecular perfecta

Lo que parece magia es en realidad una especialidad del Grupo Liedl, uno de los equipos de investigación líderes a nivel mundial en el campo del origami de ADN y el autoensamblaje. Para ello, los científicos utilizaron una larga hebra de ADN en forma de bucle (que consta de unas 8.000 bases) y una serie de 200 horquillas cortas de ADN. «Este último controla el plegamiento de la hebra más larga de ADN en cualquier forma, similar a los maestros de origami, que doblan trozos de papel para formar objetos complejos. Como tales, las redes son un medio para determinar cómo se combinan los objetos de origami de ADN para formar una Se desea una ‘forma de red de diamante’”, afirma un investigador postdoctoral de la LMU. Los componentes básicos del ADN de papel forman cristales de unos diez micrómetros de tamaño, que se depositan sobre un sustrato y luego se transfieren a un grupo de investigación colaborador del Instituto Walter Schottky de la Universidad de Berlín. Universidad Técnica de Munich (TUM): el equipo dirigido por el profesor Ian Sharp (también financiado por el Electron Transduction Cluster of Excellence) es capaz de depositar capas atómicas individuales de dióxido de titanio en todas las superficies de cristales de origami de ADN. Su alto índice de refracción determina la óptica propiedades de la red. Nuestro cristal fotónico, tras el recubrimiento, no deja pasar los rayos UV con una longitud de onda de unos 300 nanómetros, sino que los refleja, explica Bosnjak. La longitud de onda de la luz reflejada puede controlarse mediante el espesor de la capa de dióxido de titanio.

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El origami de ADN podría mejorar la fotónica

Para los cristales fotónicos que funcionan en el rango infrarrojo, las técnicas de litografía clásica son adecuadas, pero laboriosas y costosas. En el rango de longitudes de onda de la luz visible y ultravioleta, los métodos litográficos hasta ahora no han tenido éxito. «Por lo tanto, el proceso de fabricación relativamente sencillo mediante el autoensamblaje de origami de ADN en solución acuosa proporciona una poderosa alternativa para producir estructuras del tamaño deseado a un costo razonable y en mayores cantidades», dice el profesor Tim Liddle. Está convencido de que su estructura única con sus grandes poros, que pueden tratarse químicamente, estimulará más investigaciones, por ejemplo en el campo de la recolección y el almacenamiento de energía. En el mismo número de Ciencias, una colaboración dirigida por el Prof. Peter Schulke, de la Universidad Estatal de Arizona y TUM, presenta un marco teórico para diseñar diversas redes cristalinas a partir de coloides irregulares y demuestra experimentalmente el método mediante el uso de bloques de construcción de origami de ADN para formar la red de pirocloro, que probablemente también se utilizará en aplicaciones fotónicas.

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