Usando origami de DNA, pesquisadores criam estrutura de diamante para futuros semicondutores de luz visível
Cristais de diamante feitos de DNA, imagem de microscópio eletrônico, com cor aprimorada. Crédito:Laboratório Liedl O brilho das asas da borboleta em cores vivas não emerge dos pigmentos. Em vez disso, os cristais fotônicos são responsáveis pelo jogo das cores. Sua nanoestrutura periódica permite que a luz em certos comprimentos de onda passe enquanto reflete outros comprimentos de onda. Isso faz com que as escamas das asas, que na verdade são transparentes, tenham uma cor tão magnífica.
Para as equipes de pesquisa, a fabricação de cristais fotônicos artificiais para comprimentos de onda de luz visível tem sido um grande desafio e motivação desde que foram previstos pelos teóricos, há mais de 35 anos.
"Os cristais fotônicos têm uma gama versátil de aplicações. Eles têm sido empregados para desenvolver células solares mais eficientes, guias de onda ópticos inovadores e materiais para comunicação quântica. No entanto, sua fabricação tem sido muito trabalhosa", explica o Dr. Gregor Posnjak.
O físico é pós-doutorado no grupo de pesquisa do professor Tim Liedl da LMU. Usando a nanotecnologia do DNA, a equipe desenvolveu uma nova abordagem para a fabricação de cristais fotônicos. Seus resultados foram publicados na revista Science .
Cristais de diamante feitos de DNA, imagem de microscópio eletrônico, com cor aprimorada. Crédito:Liedl Lab
Estrutura de diamante a partir de fitas de DNA
Em contraste com as técnicas litográficas, a equipe da LMU usa um método chamado origami de DNA para projetar e sintetizar blocos de construção, que então se automontam em uma estrutura de treliça específica. "Sabe-se há muito tempo que a estrutura do diamante teoricamente tem uma geometria ideal para cristais fotônicos. Nos diamantes, cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos de carbono.
“Nosso desafio consistia em ampliar a estrutura de um cristal de diamante por um fator de 500, de modo que os espaços entre os blocos de construção correspondessem ao comprimento de onda da luz”, explica Liedl. “Aumentámos a periodicidade da rede para 170 nanómetros, substituindo os átomos individuais por blocos de construção maiores – no nosso caso, através do origami de ADN”, diz Posnjak.
A técnica perfeita de dobramento de moléculas
O que parece magia é na verdade uma especialidade do grupo Liedl, uma das principais equipes de pesquisa do mundo em origami de DNA e automontagem. Para este efeito, os cientistas utilizam uma longa cadeia de ADN em forma de anel (composta por cerca de 8.000 bases) e um conjunto de 200 grampos curtos de ADN.
"Estes últimos controlam o dobramento da cadeia mais longa de DNA em praticamente qualquer formato - semelhante aos mestres de origami, que dobram pedaços de papel em objetos intrincados. Como tal, os grampos são um meio de determinar como os objetos de origami de DNA se combinam para formar a rede de diamante desejada", diz o pesquisador de pós-doutorado da LMU.
Os blocos de construção do origami de DNA formam cristais de aproximadamente 10 micrômetros de tamanho, que são depositados em um substrato e depois repassados a um grupo de pesquisa colaborador do Instituto Walter Schottky da Universidade Técnica de Munique (TUM):A equipe liderada pelo Professor Ian Sharp é capaz de depositar camadas atômicas individuais de dióxido de titânio em todas as superfícies dos cristais de origami de DNA.
"A estrutura de diamante de origami de DNA serve como andaime para o dióxido de titânio, que, devido ao seu alto índice de refração, determina as propriedades fotônicas da rede. Após o revestimento, nosso cristal fotônico não permite luz UV com comprimento de onda de cerca de 300 nanômetros passar, mas antes reflete isso", explica Posnjak. O comprimento de onda da luz refletida pode ser controlado através da espessura da camada de dióxido de titânio.
Origami de DNA pode impulsionar a fotônica
Para cristais fotônicos que funcionam na faixa infravermelha, as técnicas litográficas clássicas são adequadas, mas são trabalhosas e caras. Na faixa de comprimento de onda da luz visível e UV, os métodos litográficos não tiveram sucesso até o momento. "Consequentemente, o processo de fabricação comparativamente fácil usando a automontagem do origami de DNA em uma solução aquosa oferece uma alternativa poderosa para a produção de estruturas no tamanho desejado, com boa relação custo-benefício e em maiores quantidades", diz Liedl.
Ele está convencido de que a estrutura única com os seus grandes poros, que são quimicamente endereçáveis, estimulará novas pesquisas – por exemplo, no domínio da captação e armazenamento de energia.
Em outro artigo da mesma edição da Science , uma colaboração liderada pelo Prof. Petr Šulc da Arizona State University e TUM apresenta uma estrutura teórica para projetar diversas redes cristalinas a partir de colóides irregulares e demonstra experimentalmente o método utilizando blocos de construção de origami de DNA para formar uma rede de pirocloro, que potencialmente também poderia ser usado para aplicações fotônicas.
