科学家将DNA扭转成可自组装的纳米结构，有望变革技术

莫尔超晶格已成为现代凝聚态物理和光子学研究的核心。然而，实现此类结构通常涉及精细且耗时的制备步骤，包括在高度受控条件下对预制层进行精确对准和转移。斯图加特大学第二物理研究所所长劳拉·纳·刘教授表示：“我们的方法绕过了创建莫尔超晶格的传统限制。”

莫尔超晶格构建的新范式

劳拉·纳·刘解释道：“与依赖二维材料机械堆叠和扭曲的传统方法不同，我们的平台利用了一种自下而上的组装过程。”该组装过程指的是将单个DNA链连接起来形成更大、有序的结构。它基于自组织原理：DNA链无需外部干预，仅通过分子相互作用即可自行结合。斯图加特研究团队正利用这一特性。“我们将超晶格的几何参数——如旋转角度、子晶格间距和晶格对称性——直接编码到初始结构（称为成核种子）的分子设计中。然后，我们让整个架构以纳米级精度自组装。”该种子充当结构蓝图，引导二维DNA晶格分层生长为精确扭曲的双层或三层结构，所有这些都在单一溶液相组装步骤中完成。

探索未知领域：中间纳米尺度的莫尔结构

尽管莫尔超晶格在原子（埃）尺度和光子（亚微米）尺度已被广泛研究，但在分子可编程性与材料功能汇聚的中间纳米尺度领域，很大程度上仍未被触及。斯图加特研究人员通过当前的研究填补了这一空白。该团队结合了两种强大的DNA纳米技术：DNA折纸术和单链砖块（SST）组装。

利用这种混合策略，研究人员构建了晶胞尺寸小至2.2纳米的微米级超晶格，具有可调谐的扭转角和多种晶格对称性，包括方形、笼目和蜂窝状。他们还展示了梯度莫尔超晶格，其扭转角及由此产生的莫尔周期性在整个结构中连续变化。“这些超晶格在透射电子显微镜下显示出清晰的莫尔图案，观测到的扭转角与DNA折纸种子中编码的角度高度吻合，”来自马克斯·普朗克固态研究所的合著者彼得·A·范·阿肯教授指出。

该研究还引入了一种莫尔超晶格的新生长过程。该过程由DNA种子上空间定位的捕获链启动，这些捕获链充当分子“钩子”，精确结合单链砖块（SST）并引导它们的层间排列。这使得能够可控地形成具有精确对齐SST子晶格的扭曲双层或三层结构。

在分子工程、纳米光子学、自旋电子学和材料科学中的广泛意义

其高空间分辨率、精确可寻址性和可编程对称性，赋予这种新型莫尔超晶格在科研与技术领域多样化应用的巨大潜力。例如，它们是理想的纳米级组件支架——如荧光分子、金属纳米颗粒或半导体——可应用于定制的二维和三维架构中。

当通过化学转化为刚性框架时，这些晶格可被重新用作声子晶体或具有可调振动响应的机械超材料。其空间梯度设计也为变换光学和梯度折射率光子器件开辟了新途径，其中莫尔周期性可引导光或声波沿受控轨迹传播。

一个特别有前景的应用在于自旋选择性电子输运。DNA已被证明可充当自旋过滤器，而这些具有明确莫尔对称性的有序超晶格，可作为平台在高可编程环境中探索拓扑自旋输运现象。

“这并非要模仿量子材料，”劳拉·纳·刘说，“而是为了扩展设计空间，并使得能够自下而上构建具有几何控制直接嵌入分子中的新型结构物质。”