科学家将DNA扭曲成自组装纳米结构，具有变革技术潜力

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

莫尔超晶格构建的新范式

劳拉•纳•刘解释道：“与传统方法依赖二维材料的机械堆叠和扭曲不同，我们的平台利用自下而上的组装过程。”该组装过程指的是连接单个DNA链以形成更大、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结合在一起。斯图加特研究团队正在利用这一特性。“我们将超晶格的几何参数——例如旋转角、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，我们让整个结构以纳米级精度自组装。”种子充当结构蓝图，指导二维DNA晶格分层生长成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

虽然莫尔超晶格已在原子（埃级）和光子（亚微米）尺度上得到了广泛探索，但在分子可编程性与材料功能汇聚的中间纳米尺度领域，很大程度上仍难以触及。斯图加特研究人员通过他们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折纸术和单链瓦片（SST）组装。

利用这种混合策略，研究人员构建了微米尺度的超晶格，其晶胞尺寸小至2.2纳米，具有可调的扭曲角和多种晶格对称性，包括正方形、笼目和蜂窝状结构。他们还展示了梯度莫尔超晶格，其中扭曲角以及因此产生的莫尔周期性在整个结构中连续变化。合著者、马克斯•普朗克固体研究所的彼得•A•范•阿肯教授指出：“这些超晶格在透射电子显微镜下显示出清晰的莫尔图案，观察到的扭曲角与DNA折纸种子中编码的角度高度吻合。”

该研究还介绍了一种莫尔超晶格的新生长过程。该过程由DNA种子上空间定义的捕获链启动，这些捕获链充当分子‘钩子’，精确结合单链瓦片（SST），并引导它们的层间对准。这使得能够受控地形成具有精确对准的单链瓦片（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影响

其高空间分辨率、精确可寻址性和可编程对称性，赋予新型莫尔超晶格在科研与技术领域多样应用的巨大潜力。例如，它们是纳米级组件（如荧光分子、金属纳米粒子或半导体）在定制化二维和三维架构中的理想支架。

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

一个特别有前景的应用在于自旋选择性电子传输。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高度有序超晶格，可作为一个平台，在高度可编程的环境中探索拓扑自旋传输现象。

“这并非模仿量子材料，”劳拉•纳•刘表示。“这是关于扩展设计空间，使从分子层面自下而上构建新型结构物质成为可能，并将几何控制直接嵌入分子之中。”