科学家将DNA扭曲成自我构建的纳米结构，或将引发技术变革

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进行预制层的精确对准和转移。斯图加特大学第二物理研究所所长刘娜·劳拉（Laura Na Liu）教授表示："我们的方法绕过了创建莫尔超晶格的传统限制。"

构建莫尔超晶格的新范式

刘娜·劳拉解释道："与依赖二维材料机械堆叠和扭转的传统方法不同，我们的平台利用自下而上的组装过程。"组装过程是指将单个DNA链连接起来形成更大有序结构的过程。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动结合。斯图加特研究团队正是利用了这一特性。"我们将超晶格的几何参数——如旋转角、子晶格间距和晶格对称性——直接编码进被称为'成核种子'的初始结构的分子设计中。然后我们让整个架构以纳米精度进行自组装。"该种子充当结构蓝图，指导二维DNA晶格层级式生长为精确扭转的双层或三层结构，整个过程在单一的溶液相组装步骤中完成。

探索未知领域：中等纳米尺度的莫尔结构

尽管莫尔超晶格在原子（埃级）和光子（亚微米级）尺度已被广泛研究，但分子可编程性与材料功能性交汇的中间纳米尺度领域在很大程度上仍难以企及。斯图加特研究人员通过当前的研究填补了这一空白。该团队结合了两项强大的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，研究人员构建了单元尺寸小至2.2纳米、具有可调扭转角和多种晶格对称性（包括方形、笼目和蜂窝状）的微米级超晶格。他们还展示了梯度莫尔超晶格，其扭转角及相应的莫尔周期性在整个结构中连续变化。马克斯·普朗克固体研究所的合著者彼得·A·范阿克（Peter A. van Aken）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，观测到的扭转角度与DNA折纸种子中编码的角度高度吻合。"

该研究还提出了一种新的莫尔超晶格生长工艺。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'，精确结合单链瓦片（SST）并指导其层间排列。这使得能够可控地形成具有精确对齐单链瓦片子晶格的扭转双层或三层结构。

对分子工程、纳米光子学、自旋电子学和材料科学的广泛影响

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化应用的巨大潜力。例如，它们是定制化二维和三维架构中纳米级组件（如荧光分子、金属纳米颗粒或半导体）的理想支架。

当经化学转化为刚性框架时，这些晶格可重新用作具有可调振动响应的声子晶体或机械超材料。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，而这些具有确定莫尔对称性的高度有序超晶格，可作为一个平台在研究高度可编程环境中的拓扑自旋输运现象。

刘娜·劳拉表示："这并非要模拟量子材料，而是要拓展设计空间，使得从分子层面直接嵌入几何控制、自下而上构建新型结构物质成为可能。"