Il mondo della nanoscienza sta assistendo a una vera e propria rivoluzione nella creazione di materiali artificiali, dove la natura stessa diventa l'architetto di strutture impossibili da realizzare con i metodi tradizionali. Un team di ricercatori dell'Università di Stoccarda e del Max Planck Institute ha dimostrato come sia possibile sfruttare il DNA per costruire supereticoli moiré attraverso un processo di autoassemblaggio molecolare che elimina le complesse procedure meccaniche finora necessarie. Questi nuovi materiali, descritti sulla rivista Nature Nanotechnology, aprono scenari inediti per applicazioni che spaziano dall'ottica quantistica alla spintronica, passando per la progettazione di metamateriali con proprietà fisiche completamente personalizzabili.
L'autoassemblaggio molecolare come chiave del successo
La strategia sviluppata dai ricercatori tedeschi rappresenta un cambio di paradigma rispetto agli approcci convenzionali. Mentre i metodi tradizionali richiedevano il delicato sovrapposizione e allineamento meccanico di strati bidimensionali pre-fabbricati, questa nuova tecnica sfrutta le proprietà intrinseche del DNA di organizzarsi spontaneamente in strutture ordinate. Come spiega la professoressa Laura Na Liu, direttrice del secondo Istituto di Fisica dell'Università di Stoccarda, "la nostra piattaforma utilizza un processo di assemblaggio dal basso verso l'alto che aggira completamente i vincoli tradizionali".
Il segreto risiede in quella che i ricercatori chiamano "seme di nucleazione" - una struttura molecolare iniziale che contiene già codificati tutti i parametri geometrici del supereticolo finale. Questo include l'angolo di rotazione, la spaziatura tra i sottoreticoli e la simmetria del reticolo, permettendo all'intera architettura di autoassemblarsi con precisione nanometrica in un singolo passaggio in soluzione.
Due tecniche per un risultato rivoluzionario
La chiave del successo sta nella combinazione di due potenti tecniche di nanotecnologia del DNA: l'origami del DNA e l'assemblaggio di tessere a singolo filamento (SST). Questa strategia ibrida ha permesso ai ricercatori di costruire supereticoli su scala micrometrica con dimensioni delle celle unitarie di appena 2,2 nanometri, caratterizzati da angoli di torsione regolabili e diverse simmetrie reticolari, incluse quelle quadrate, kagome e a nido d'ape.
Un aspetto particolarmente innovativo è la dimostrazione di supereticoli moiré a gradiente, dove l'angolo di torsione e quindi la periodicità moiré varia continuamente attraverso la struttura. Il professor Peter A. van Aken del Max Planck Institute sottolinea come "questi supereticoli rivelano pattern moiré ben definiti sotto microscopia elettronica a trasmissione, con angoli di torsione osservati che corrispondono strettamente a quelli codificati nel seme di origami del DNA".
Un territorio inesplorato tra atomi e fotoni
Fino ad oggi, i supereticoli moiré erano stati ampiamente esplorati su scala atomica (angstrom) e fotonica (submicrometrica), ma il regime nanometrico intermedio rimaneva largamente inaccessibile. È proprio questo spazio che il team di Stoccarda ha conquistato, creando un ponte tra la programmabilità molecolare e la funzionalità dei materiali. Il processo di crescita introdotto nello studio utilizza filamenti di cattura spazialmente definiti sul seme di DNA che agiscono come "ganci" molecolari per legare precisamente gli SST e dirigere il loro allineamento tra gli strati.
Applicazioni che ridisegnano il futuro tecnologico
Le implicazioni di questa scoperta si estendono ben oltre i confini della ricerca fondamentale. L'alta risoluzione spaziale, la precisa indirizzabilità e la simmetria programmabile di questi nuovi supereticoli moiré li rendono piattaforme ideali per componenti nanoscopici come molecole fluorescenti, nanoparticelle metalliche o semiconduttori in architetture 2D e 3D personalizzate. Quando trasformati chimicamente in strutture rigide, questi reticoli potrebbero essere riproposti come cristalli fononici o metamateriali meccanici con risposte vibrazionali regolabili.
Una delle applicazioni più promettenti riguarda il trasporto elettronico spin-selettivo. Il DNA ha dimostrato di agire come filtro di spin, e questi supereticoli ben ordinati con simmetrie moiré definite potrebbero servire come piattaforma per esplorare fenomeni di trasporto topologico di spin in un contesto altamente programmabile. Il design a gradiente spaziale apre inoltre possibilità per l'ottica di trasformazione e dispositivi fotonici a indice graduato.
Come conclude la professoressa Liu, "non si tratta di imitare materiali quantistici esistenti, ma di espandere lo spazio progettuale e rendere possibile la costruzione di nuovi tipi di materia strutturata dal basso verso l'alto, con il controllo geometrico incorporato direttamente nelle molecole". Un approccio che promette di rivoluzionare il modo in cui concepiamo e realizziamo materiali funzionali su scala nanometrica.