Para los equipos de investigación, la fabricación de cristales fotónicos artificiales para longitudes de onda de luz visible ha sido un gran desafío y motivación desde que los teóricos los predijeron hace más de 35 años.

"Los cristales fotónicos tienen una amplia gama de aplicaciones. Se han utilizado para desarrollar células solares más eficientes, guías de ondas ópticas innovadoras y materiales para la comunicación cuántica. Sin embargo, su fabricación ha sido muy laboriosa", explica el Dr. Gregor Posnjak.

El físico es un postdoctorado en el grupo de investigación del profesor Tim Liedl de la LMU. Utilizando nanotecnología del ADN, el equipo ha desarrollado un nuevo enfoque para la fabricación de cristales fotónicos. Sus resultados ahora han sido publicados en la revista Science. .

Estructura de diamante a partir de hebras de ADN

A diferencia de las técnicas litográficas, el equipo de LMU utiliza un método llamado origami de ADN para diseñar y sintetizar bloques de construcción, que luego se autoensamblan en una estructura reticular específica. "Se sabe desde hace mucho tiempo que, en teoría, la red del diamante tiene una geometría óptima para los cristales fotónicos. En los diamantes, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos de carbono.

"Nuestro desafío consistía en ampliar la estructura de un cristal de diamante en un factor de 500, de modo que los espacios entre los bloques de construcción correspondieran con la longitud de onda de la luz", explica Liedl. "Aumentamos la periodicidad de la red a 170 nanómetros reemplazando los átomos individuales con bloques de construcción más grandes; en nuestro caso, mediante origami de ADN", dice Posnjak.

La técnica perfecta de plegado de moléculas

Lo que parece magia es en realidad una especialidad del grupo Liedl, uno de los equipos de investigación líderes en el mundo en origami de ADN y autoensamblaje. Para ello, los científicos utilizan una larga cadena de ADN en forma de anillo (que consta de aproximadamente 8.000 bases) y un conjunto de 200 grapas cortas de ADN.

"Estos últimos controlan el plegado de la cadena de ADN más larga en prácticamente cualquier forma, similar a los maestros de origami, que doblan trozos de papel en objetos intrincados. Como tal, las abrazaderas son un medio para determinar cómo se combinan los objetos de origami de ADN para formar la red de diamantes deseada", afirma el investigador postdoctoral de la LMU.

Los bloques de ADN del origami forman cristales de aproximadamente 10 micrómetros de tamaño, que se depositan sobre un sustrato y luego se transmiten a un grupo de investigación cooperante del Instituto Walter Schottky de la Universidad Técnica de Munich (TUM):el equipo dirigido por el profesor Ian Sharp es capaz de depositar capas atómicas individuales de dióxido de titanio en todas las superficies de los cristales de origami de ADN.

"La red de diamantes de origami de ADN sirve como soporte para el dióxido de titanio, que, debido a su alto índice de refracción, determina las propiedades fotónicas de la red. Después del recubrimiento, nuestro cristal fotónico no deja pasar la luz ultravioleta con una longitud de onda de aproximadamente 300 nanómetros. pasar, sino que más bien lo refleja", explica Posnjak. La longitud de onda de la luz reflejada se puede controlar mediante el espesor de la capa de dióxido de titanio.

El origami de ADN podría impulsar la fotónica

Para los cristales fotónicos que funcionan en el rango infrarrojo, las técnicas litográficas clásicas son adecuadas, pero laboriosas y costosas. En el rango de longitudes de onda de la luz visible y ultravioleta, los métodos litográficos hasta ahora no han tenido éxito. "Por lo tanto, el proceso de fabricación comparativamente sencillo mediante el autoensamblaje de origami de ADN en una solución acuosa ofrece una potente alternativa para producir estructuras del tamaño deseado de forma rentable y en grandes cantidades", afirma Liedl.

Está convencido de que la estructura única con sus grandes poros, que son direccionables químicamente, estimulará más investigaciones, por ejemplo, en el ámbito de la recolección y almacenamiento de energía.

En otro artículo del mismo número de Science , una colaboración dirigida por el Prof. Petr Šulc de la Universidad Estatal de Arizona y TUM presenta un marco teórico para diseñar diversas redes cristalinas a partir de coloides irregulares y demuestra experimentalmente el método utilizando bloques de construcción de origami de ADN para formar una red de pirocloro, que potencialmente también podría ser utilizado para aplicaciones fotónicas.