Svetlucanje leptirovih krila u jarkim bojama ne izlazi iz pigmenata. Umesto toga, fotonski kristali su odgovorni za igru boja. Njihova periodična nanostruktura dozvoljava svetlosti na određenim talasnim dužinama da prođe kroz nju dok reflektuje druge talasne dužine. Ovo uzrokuje da ljuske krila, koje su u stvari providne, izgledaju tako veličanstveno obojene.
Za istraživačke timove, proizvodnja veštačkih fotonskih kristala za talasne dužine vidljive svetlosti bila je veliki izazov i motivacija otkako su ih predvideli teoretičari pre više od 35 godina.
„Fotonski kristali imaju širok spektar primena. Korišćeni su za razvoj efikasnijih solarnih ćelija, inovativnih optičkih talasovoda i materijala za kvantnu komunikaciju. Međutim, njihova proizvodnja je bila veoma naporna“, objašnjava dr Gregor Posnjak.
Fizičar je postdoktor u istraživačkoj grupi profesora LMU Tima Liedla. Koristeći DNK nanotehnologiju, tim je razvio novi pristup za proizvodnju fotonskih kristala. Njihovi rezultati su sada objavljeni u časopisu Nauka.
Struktura dijamanta iz lanaca DNK
Za razliku od litografskih tehnika, LMU tim koristi metodu zvanu DNK origami da dizajnira i sintetiše gradivne blokove, koji se zatim sami sastavljaju u specifičnu strukturu rešetke. „Odavno je poznato da dijamantska rešetka teoretski ima optimalnu geometriju za fotonske kristale. U dijamantima, svaki atom ugljenika je vezan za četiri druga atoma ugljenika.
„Naš izazov se sastojao u povećanju strukture dijamantskog kristala za faktor od 500, tako da razmaci između građevinskih blokova odgovaraju talasnoj dužini svetlosti“, objašnjava Lidl. „Povećali smo periodičnost rešetke na 170 nanometara zamenom pojedinačnih atoma većim građevinskim blokovima — u našem slučaju, kroz DNK origami“, kaže Posnjak.
Ono što zvuči kao magija zapravo je specijalnost grupe Liedl, jednog od vodećih svetskih istraživačkih timova u DNK origamiju i samosastavljanju. U tu svrhu, naučnici koriste dugu, prstenastu DNK lanac (koji se sastoji od oko 8.000 baza) i set od 200 kratkih DNK spajalica.
„Potonji kontrolišu savijanje dužeg DNK lanca u gotovo bilo koji oblik – slično majstorima origami, koji savijaju komade papira u složene predmete. Kao takve, stege su sredstvo za određivanje kako se DNK origami objekti kombinuju da bi se formirali željenu dijamantsku rešetku“, kaže postdoktorski istraživač LMU.
Građevinski blokovi DNK origami formiraju kristale veličine oko 10 mikrometara, koji se talože na podlogu i zatim prosleđuju istraživačkoj grupi sa Instituta Valter Šotki na Tehničkom univerzitetu u Minhenu (TUM): Tim koji predvodi profesor Ian Sharp je u stanju da deponuje pojedinačne atomske slojeve titanijum dioksida na sve površine DNK origami kristala.
„DNK origami dijamantska rešetka služi kao skela za titanijum dioksid, koji zbog svog visokog indeksa prelamanja određuje fotonska svojstva rešetke. Nakon premaza, naš fotonski kristal ne propušta UV svetlost talasne dužine od oko 300 nanometara. da prođe, već da to odražava“, objašnjava Pošnjak. Talasna dužina reflektovane svetlosti može se kontrolisati preko debljine sloja titanijum dioksida.
Za fotonske kristale koji rade u infracrvenom opsegu, klasične litografske tehnike su pogodne, ali naporne i skupe. U opsegu talasnih dužina vidljive i UV svetlosti, litografske metode do danas nisu bile uspešne. „Shodno tome, relativno lak proizvodni proces koji koristi samo-sastavljanje DNK origamija u vodenom rastvoru nudi moćnu alternativu za ekonomično i u većim količinama proizvodnju struktura željene veličine“, kaže Liedl.
On je uveren da će jedinstvena struktura sa velikim porama, koje se mogu hemijski adresirati, stimulisati dalja istraživanja — na primer, u domenu sakupljanja i skladištenja energije.
U drugom članku u istom broju časopisa Science, saradnja koju je vodio prof. Petr Šulc sa Univerziteta Arizona State i TUM predstavlja teorijski okvir za dizajniranje različitih kristalnih rešetki od neujednačenih koloida, i eksperimentalno demonstrira metod korišćenjem DNK origami građevnih blokova za formiranje pirohlorna rešetka, koja bi se potencijalno takođe mogla koristiti za fotonske aplikacije.
