В диссертационном исследовании Университета Йювяскюля (Финляндия) были разработаны двумерные структуры в виде рыболовной сети из ДНК-оригами для кремниевых поверхностей и изучено, как различные условия влияют на их формирование. Результаты открывают новые возможности для литографии с использованием ДНК и, следовательно, для производства новых типов материалов, например, для оптики.
Докторская диссертация
В своём докторском исследовании научный сотрудник Йоханнес Парикка из Университета Йювяскюля изготовил двумерные структуры ДНК-оригами в виде рыболовной сети на кремнии.
«ДНК-оригами — это наноструктуры, состоящие из одноцепочечной ДНК. Они могут взаимодействовать друг с другом, образуя более крупные решётчатые структуры», — говорит Парикка.
Ранее подобные решётки изготавливались только на слюде, которая, как хрупкий минерал, не совместима с какими-либо последующими методами микропроизводства, такими как травление. ДНК-оригами на кремнии открывают возможность использования литографии с помощью ДНК, что позволяет создавать новый тип материала.
«Самая большая однокристаллическая решётка, собранная на кремнии, имела площадь 5,6 мкм² и состояла примерно из 560 отдельных ДНК-оригами. Для данной конкретной конструкции и кремниевой подложки это самый крупный результат, когда-либо достигнутый», — говорит Парикка.
Процесс исследования
В исследовании использовалась самосборка структур ДНК-оригами на кремнии, где они могут образовывать более крупные двумерные решётки. ДНК-оригами и обработанная кремниевая подложка имеют отрицательный заряд. Двухвалентные катионы, такие как Mg²⁺, могут прикреплять ДНК-оригами к поверхности. Силу взаимодействия между ДНК-оригами и поверхностью можно регулировать с помощью одновалентного катиона, такого как Na⁺, то есть с помощью поваренной соли (NaCl).
«Ионы Na⁺ добавленной поваренной соли заменяют некоторые присоединяющиеся ионы Mg²⁺, что увеличивает подвижность ДНК-оригами на поверхности, обеспечивая сборку решётки», — говорит Парикка.
В ходе исследования было определено, как условия нанесения, такие как температура и концентрация соли в растворе, влияют на формирование решётки. Структуры в основном визуализировались с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
«В ходе исследования также было замечено, что путём настройки условий, в основном концентрации соли в растворе образца, можно свернуть ДНК-оригами в трубчатые структуры в растворе. Кроме того, те же самые ДНК-оригами с небольшими модификациями можно использовать для формирования контролируемых решёток из наночастиц», — утверждает Парикка.
Результаты, представленные в диссертации, важны для производства решёток ДНК-оригами на кремнии, а также для фотоники, поскольку они позволяют металлизировать структуры с помощью литографии с использованием ДНК. Металлические решётки по сравнению с отдельными ДНК-оригами лучше усиливают оптический отклик и позволяют создавать метаматериал.
«Метаматериалы обладают определённым свойством, например, отрицательным показателем преломления, которого нет у материалов, встречающихся в природе», — объясняет Парикка.
Парикка защитил магистерскую диссертацию на кафедре химии в 2020 году и начал свои докторские исследования на кафедре физики и в Центре нанонаук. Научный руководитель докторской диссертации — профессор Юсси Топпари.
Название магистерской диссертации Парикки: «Нанопроизводство с использованием ДНК-нанотехнологий». Публичная защита состоится в пятницу, 19 декабря, в 12:00. Оппонент — профессор Тим Лидл (Людвиг-Максимилиановский университет Мюнхена), куратор — профессор Юсси Топпари (Университет Йювяскюля). Публичная защита проводится на английском языке.
Предоставлено Университетом Йювяскюля.