Science：人造DNA晶体的颜色游戏

利用DNA折纸技术，LMU的研究人员构建了一个周期为数百纳米的钻石晶格——这是制造可见光半导体的新方法。

鲜艳色彩的蝴蝶翅膀的闪光，不是由颜料产生的。相反，它是光子晶体负责颜色的发挥。它们的周期性纳米结构允许某些波长的光通过，同时反射其他波长的光。这使得实际上是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，制造可见光波长的人造光子晶体一直是一个主要的挑战和动力，因为它们在35年前就被理论家预测到。“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，制造它们非常费力，”格雷戈尔·波斯尼亚克博士解释说。这位物理学家是LMU教授Tim Liedl研究小组的博士后，他的工作由“e-conversion”卓越集群和欧洲研究理事会资助。利用DNA纳米技术，该团队开发了一种制造光子晶体的新方法。他们的研究结果已经发表在《科学》杂志上。

由DNA链组成的钻石结构

与光刻技术相比，LMU团队使用一种称为DNA折纸的方法来设计和合成构建块，然后自组装成特定的晶格结构。“人们早就知道，金刚石晶格理论上具有光子晶体的最佳几何形状。在钻石中，每个碳原子与另外四个碳原子相连。我们的挑战在于将钻石晶体的结构扩大500倍，这样构建块之间的空间就和光的波长相对应，”Tim Liedl解释道。Posnjak说:“我们通过用更大的构建块取代单个原子，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。”

完美的分子折叠技术

听起来像魔术的东西实际上是Liedl团队的专长，他们是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环状DNA链(由大约8000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，他们把纸折成复杂的物体。因此，夹子是确定DNA折纸物体如何组合形成所需钻石晶格的一种手段，”LMU博士后研究员说。DNA折纸构建块形成大约10微米大小的晶体，沉积在衬底上，然后传递给慕尼黑工业大学(TUM)沃尔特肖特基研究所的一个合作研究小组: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个二氧化钛原子层。DNA折纸钻石晶格充当二氧化钛的支架，二氧化钛由于其高折射率，决定了晶格的光子特性。在涂层之后，我们的光子晶体不允许波长约为300纳米的紫外线通过，而是反射它，”Posnjak解释说。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

对于在红外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，平版印刷方法至今尚未成功。Tim Liedl教授说:“因此，在水溶液中使用DNA折纸自组装的相对简单的制造过程为生产所需尺寸的结构提供了一个强大的替代方案，成本效益高，而且数量多。”他相信，这种具有大孔隙的独特结构(化学上是可寻址的)将刺激进一步的研究——例如，在能量收集和储存领域。在同一期的《科学》杂志上，由亚利桑那州立大学的peter ?ulc教授和TUM领导的一项合作提出了一个从斑块胶体设计各种晶体晶格的理论框架，并通过实验证明了利用DNA折纸构建块形成焦绿盐晶格的方法，该方法也可能用于光子应用。