Revolution für die Halbleiter-Forschung durch DNA-Origami

„Photonische Kristalle bieten ein vielseitiges Anwendungsspektrum. Mit ihrer Hilfe ließen sich effizientere Solarzellen, innovative Lichtleiter oder Materialien für die Quantenkommunikation entwickeln. Aber sie lassen sich bisher nur sehr aufwendig herstellen“, erklärt Gregor Posnjak. Der Postdoktorand und Physiker gehört zur Forschergruppe von Tim Liedl. Der Physikprofessor Tim Liedl leitet an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) den Lehrstuhl für Experimentalphysik. Für die Forschergruppe steht seit einiger Zeit die DNA-Nanotechnologie im Fokus. Mit ihrer Hilfe wollen sie einen neuen Ansatz zur Herstellung photonischer Kristalle entwickeln.

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Photonische Kristalle kennt man bereits aus der Natur, zum Beispiel von Schmetterlingsflügeln. Denn die Farbbrillanz der Schmetterlingsflügel entsteht nicht durch Farbpigmente, sondern durch photonische Kristalle. Die transparenten Schuppen der Flügel scheinen bunt, weil ihre periodische Nanostruktur das Licht mit bestimmten Wellenlängen durchlässt, während sie andere Wellenlängen reflektiert. Photonische Kristalle künstlich herzustellen, ist allerdings nicht ganz einfach, weshalb sich die Forschung seit mehr als 35 Jahren eingehend damit beschäftigt. Ein gängiges Verfahren gibt es seit einiger Zeit. Doch damit war die Forschergruppe bei ihrer Fragestellung nicht zum Ziel gelangt.

DNA-Origami: neues Verfahren mit guten Ergebnissen

Ursprünglich hatten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Lithographieverfahren benutzt, um Bausteine zu entwerfen und miteinander zu verbinden. Die Forschergruppe an der LMU setzt stattdessen nun auf ein Verfahren, das sich DNA-Origami nennt. In der Theorie war es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern klar, dass ein Diamantgitter in seiner geometrischen Struktur optimale Voraussetzungen für photonische Kristalle bietet. Deshalb standen sie vor der Herausforderung, die Struktur eines Diamantkristalls so zu vergrößern, dass die Abstände zwischen den Bausteinen mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind. Damit das funktioniert, war eine Vergrößerung um das 500-Fache notwendig. Gelungen ist den Forschenden dies, indem sie die Periodizität des Gitters auf 170 Nanometer erhöhten. Dafür mussten sie die einzelnen Atome durch größere Bausteine ersetzen. Dieses Verfahren beschreiben sie deshalb als DNA-Origami.

Die Forschergruppe um Tim Liedl beschäftigt sich schon lange mit DNA-Origami und deren Selbstorganisation. Sie verwenden dafür einen langen, ringförmigen DNA-Strang und einen Satz aus 200 kurzen DNA-Klammern Der DNA-Strang besteht aus insgesamt 8.000 Basen. „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 Posnjak.

Photonischer Kristall aus DNA-Origami reflektiert das Licht

Den Forschenden ist es damit gelungen, DNA-Origami-Bausteine herzustellen, die die Größe von etwa zehn Mikrometer großen Kristallen aufweisen. Sie werden auf einem Substrat abgeschieden, damit sie im Anschluss von einem Team am Walter-Schottky-Institut der Technischen Universität München (TUM) weiterverarbeitet werden können. Das Team von Ian Sharp, Professor für Experimentelle Halbleiterphysik an der TUM, hat im Anschluss einzelne Atomlagen Titandioxid auf allen Oberflächen der DNA-Origami-Kristalle abgeschieden. Damit stellt das DANN-Origami-Diamantgitter das Gerüst für das Titandioxid dar. Das wiederum bestimmt aufgrund seines hohen Brechnungsindex die photonischen Eigenschaften des Gitters. Nach der Beschichtung liegt das gewünschte Ergebnis vor: Der künstlich hergestellte photonische Kristall reflektiert UV-Licht mit einer Wellenlänge von etwa 300 Nanometern. Dabei lässt sich sogar die Wellenlänge des reflektierten Lichts beeinflussen – und zwar konkret mithilfe der Stärke der Titandioxidschicht.

Die Forschenden hatten photonische Kristalle, die sich für den Infrarotbereich eignen, bislang im Lithographieverfahren hergestellt. Der Nachteil dieser Methode: Sie ist aufwendig, teuer und zudem hatten sie im Wellenlängenbereich des sichtbaren und des UV-Lichts nicht funktioniert. „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 Tim Liedl. Der Wissenschaftler geht davon aus, dass aufgrund der einzigartigen Struktur, die sich durch die großen Poren ergibt, weitere Forschungen folgen könnten. Vorstellbar seien beispielsweise die Bereiche Energiegewinnung und -speicherung.