In het menselijk lichaam wordt genetische informatie gecodeerd in dubbelstrengs desoxyribonucleïnezuurbouwstenen, het zogenaamde DNA. Met behulp van kunstmatige DNA-moleculen, een internationaal team van wetenschappers onder leiding van het Cluster of Excellence Nanosystems Initiative München heeft nanogestructureerde materialen geproduceerd die kunnen worden gebruikt om zichtbaar licht per specificatie aan te passen. De onderzoekers presenteren hun resultaten in het huidige nummer van het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Een paar jaar geleden was er veel opwinding na de ontdekking van de DNA-origamitechniek. De aanpak kan worden gebruikt om nanodeeltjes van een bepaalde vorm en grootte te bouwen. Echter, echte toepassingen, zoals een nanopincet, bleef buiten bereik. Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van professor Tim Liedl van de Ludwig-Maximillians-Universitaet Muenchen en professor Friedrich Simmel van de Technische Universitaet Muenchen is er nu in geslaagd nanodeeltjes te bouwen met behulp van optisch actieve DNA-bouwstenen die kunnen worden gebruikt om licht op zeer specifieke manieren te modificeren .

Het koppelen van licht en nanostructuren kan de grootte van optische sensoren voor medische en milieutoepassingen aanzienlijk helpen verminderen, terwijl ze tegelijkertijd gevoeliger worden. Echter, de grootte van een lichtgolf die zich uitstrekt over 400 tot 800 nanometer is gigantisch in vergelijking met nanostructuren van slechts enkele nanometers. Maar in theorie, wanneer de kleinste structuren op heel specifieke manieren samenwerken, zelfs kleine objecten kunnen heel goed met licht omgaan. Helaas is het niet mogelijk om de vereiste driedimensionale structuren met precisie op nanoschaal in voldoende hoeveelheden en zuiverheid te produceren met conventionele methoden.

"Met DNA-origami, we hebben nu een methodiek gevonden die aan al deze eisen voldoet. Het maakt het mogelijk om vooraf en met nanometerprecisie de driedimensionale vorm van het te creëren object te definiëren, " zegt professor Friedrich Simmel, die de leerstoel voor Biomoleculaire Systemen en Bionanotechnologie bekleedt aan de TU Muenchen. Uitsluitend geprogrammeerd met behulp van de reeks basisbouwstenen, de nano-elementen vouwen zichzelf in de gewenste structuren." Het team van Friedrich Simmel bouwde met succes nano-spiraaltrappen van 57 nanometer hoog en 34 nanometer in diameter met 10 nanometer gouddeeltjes eraan vastgemaakt.

Op het oppervlak van de gouddeeltjes reageren de elektronen met het elektromagnetische veld van het licht. De kleine speling tussen de deeltjes zorgt ervoor dat de gouddeeltjes van een DNA-streng samenwerken, waardoor de interacties vele malen worden versterkt. Professor Alexander O. Govorov, theoretisch fysicus aan de Ohio State University in Athene, VS, had voorspeld dat het effect zou afhangen van de afstand, grootte en samenstelling van de metaaldeeltjes. Met behulp van de DNA-origami-methode, de natuurkundigen uit München bouwden nanostructuren waarin ze deze parameters varieerden.

De resultaten van deze experimenten bevestigen de voorspellingen van hun collega's in elk opzicht:waterige oplossingen van rechtshandige en linkshandige nano wenteltrappen verschillen zichtbaar in hun interacties met circulair gepolariseerd licht. Wenteltrappen met grote deeltjes vertonen een aanzienlijk sterkere optische respons dan die met kleine deeltjes. De chemische samenstelling van de deeltjes had ook een groot effect:toen de gouddeeltjes werden bedekt met een laagje zilver, de optische resonantie verschoof van het rode naar het kortere golfblauwe domein.

Door theoretische berekeningen en de mogelijkheden van DNA-origami te combineren, de onderzoekers zijn nu in staat om nano-optische materialen te produceren met nauwkeurig gespecificeerde eigenschappen. Professor Tim Liedl beschrijft het pad dat het onderzoek zou kunnen volgen:"We gaan nu onderzoeken of we deze methode kunnen gebruiken om de brekingsindex van de materialen die we vervaardigen te beïnvloeden. Materialen met een negatieve brekingsindex zouden kunnen worden gebruikt om nieuwe optische lenssystemen te ontwikkelen - dus -superlenzen genoemd."