Diamantglitter: Farbenspiel mit künstlichen DNA-Kristallen

Dass Schmetterlingsflügel in intensiven Farben schillern, verdanken sie keineswegs Farbpigmenten. Es sind photonische Kristalle, die für das Farbspiel verantwortlich sind. Ihre periodische Nanostruktur lässt das Licht bestimmter Wellenlängen passieren, während sie andere Wellenlängen reflektiert. Dadurch erscheinen die an sich transparenten Flügelschuppen so strahlend bunt. Für Forschungsteams ist die Herstellung eines künstlichen photonischen Kristalls für Wellenlängen des sichtbaren Lichts schon seit ihrer theoretischen Vorhersage vor mehr als 35 Jahren eine große Herausforderung und Motivation. Der Grund: „Photonische Kristalle bieten ein vielseitiges Anwendungsspektrum. Mit ihrer Hilfe ließen sich effizientere Solarzellen, innovative Lichtleiter oder Materialen für die Quantenkommunikation entwickeln. Aber sie lassen sich bisher nur sehr aufwändig herstellen“, erklärt Dr. Gregor Posnjak. Der Physiker ist Postdoktorand in der Forschungsgruppe von LMU-Professor Tim Liedl, deren Arbeit vom Exzellenzcluster e-conversion und dem European Research Council gefördert wird. Das Team nutzt DNA-Nanotechnologie und entwickelte damit einen neuen Ansatz zur Herstellung photonischer Kristalle. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Diamantstruktur aus DNA-Strängen

Das LMU-Team verwendet im Gegensatz zu Lithographieverfahren eine Technik namens DNA-Origami, um Bausteine zu entwerfen und zu verbinden. Diese fügen sich dann zu einem bestimmten Gitter zusammen. „Es ist seit Langem bekannt, dass das Diamantgitter theoretisch eine optimale Geometrie für photonische Kristalle aufweist. Im Diamant ist jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen verbunden. Unsere Herausforderung bestand darin, die Struktur eines Diamantkristalls um das 500-Fache zu vergrößern, sodass die Abstände zwischen den Bausteinen mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind“, erklärt Tim Liedl. „Wir haben die Periodizität des Gitters auf 170 Nanometer erhöht, indem wir die einzelnen Atome durch größere Bausteine ersetzt haben – in unserem Fall durch DNA-Origami“, sagt Posnjak.

Die perfekte Molekül-Falttechnik

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Was nach Magie klingt, ist eine Spezialität der Liedl-Gruppe: Sie zählt zu den weltweit führenden Forschungsteams in Sachen DNA-Origami und deren Selbstorganisation. Dafür nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen langen, ringförmigen DNA-Strang (bestehend aus etwa 8.000 Basen) und einen Satz aus 200 kurzen DNA-Klammern. „Letztere steuern die Faltung des längeren DNA-Strangs in nahezu jede beliebige Form – vergleichbar mit Origami-Meistern, die Papierstücke zu komplizierten Objekten zu falten. Wir können über die Klammern also kontrollieren, wie sich die DNA-Origami-Objekte zum gewünschten Diamantgitter verbinden“, sagt der LMU-Postdoktorand. Die DNA-Origami-Bausteine bilden etwa zehn Mikrometer große Kristalle, die auf einem Substrat abgeschieden und von einer kooperierenden Forschungsgruppe am Walter-Schottky-Institut der Technischen Universität München (TUM) übernommen werden: Das Team von Professor Ian Sharp (ebenfalls durch e-conversion gefördert) ist in der Lage, einzelne Atomlagen Titandioxid auf allen Oberflächen der DNA-Origami-Kristalle abzuscheiden. „Das DNA-Origami-Diamantgitter dient als Gerüst für Titandioxid, das aufgrund seines hohen Brechungsindex die photonischen Eigenschaften des Gitters bestimmt. Nach der Beschichtung lässt unser photonischer Kristall UV-Licht mit einer Wellenlänge von etwa 300 Nanometern nicht durch, sondern reflektiert es“, erklärt Posnjak. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts lässt sich über die Dicke der Titandioxidschicht steuern.

DNA-Origami könnte Photonik beflügeln

Für photonische Kristalle, die im Infrarotbereich funktionieren, eignen sich zwar klassische Lithographieverfahren, welche aber aufwändig und teuer sind. Im Wellenlängenbereich des sichtbaren und UV-Lichts waren Lithographieverfahren bislang nicht erfolgreich. „Deswegen bietet der vergleichsweise einfache Herstellungsprozess über die Selbstorganisation von DNA-Origami in wässriger Lösung eine gute Möglichkeit, Strukturen der gewünschten Größe kostengünstig und in größeren Mengen zu produzieren“, sagt Prof. Tim Liedl. Er ist überzeugt, dass die einzigartige Struktur mit ihren großen Poren, die chemisch adressierbar sind, weitere Forschungsimpulse auslösen werden – zum Beispiel im Bereich der Energiegewinnung und -speicherung.

In derselben Ausgabe von Science stellt eine Kollaboration von Arizona State University und TUM Zusammenarbeit unter der Leitung von Prof. Petr Šulc einen theoretischen Rahmen für die Gestaltung verschiedener kristalliner Gitter aus lückenhaften Kolloiden vor und demonstriert die Methode experimentell durch die Verwendung von DNA-Origami-Bausteinen zur Bildung eines Pyrochlor-Gitters, das möglicherweise auch für photonische Anwendungen genutzt werden könnte.

Gregor Posnjak, Xin Yin, Paul Butler, Oliver Bienek, Mihir Dass, Seungwoo Lee, Ian D. Sharp, Tim Liedl: Diamond lattice photonic crystals assembled from DNA origami. Science 2024