Halbleiter für Licht: Photonische Kristalle aus DNA manipulieren Licht auf neue Art und Weise

Photonische Kristalle finden sich etwa in Schmetterlingsflügeln oder Mikro-Lasern. Es handelt sich dabei um Kristallgitter, deren Nanostruktur das Licht auf eine bestimmte Art und Weise brechen kann. Physiker:innen gelang es nun, erstmals einen photonischen Kristall mit einer Diamantstruktur aus DNA herzustellen. Ein derartiger Kristall ist in der Lage, das sichtbare Licht auf eine Art und Weise zu manipulieren, zu brechen oder zu absorbieren, die bisher nicht erreicht werden konnte. Hinzu kommt, dass die Nanostrukturen gezielt manipuliert und konstruiert werden können, was sie für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen interessant macht.

DNA-Origami stellt Kristalle her

Photonische Kristalle sind eine Art optische Entsprechung von Elektronik-Halbleitern, die bemerkenswerte Eigenschaften mit sich bringen. Allerdings konnten sie künstlich bisher lediglich für den Infrarot-Bereich hergestellt werden. Die Herstellung von photonischen Kristallen für den sichtbaren Wellenbereich des Lichts oder für UV-Strahlung gestaltete sich indes schwierig. Hierfür werden Gitterstrukturen nötig, deren Struktur im selben Größenbereich der Lichtwellenlänge liegt, also bei nur wenigen hundert Nanometern. Derartig kleine Strukturen herzustellen war bisher mit sehr großem Aufwand verbunden.

Ein Team rund um Gregor Posnjak von der Ludwig-Maximilians-Universität in München (LMU) ist es gelungen, dieses Problem zu lösen. Dabei kommt eine Art DNA-Origami zum Einsatz. DNA-Stränge finden aufgrund ihrer Basen-Abfolge quasi von selber mit anderen DNA-Strängen zusammen, sodass sich abhängig von der in der DNA codierten Information fast beliebige Strukturen über Selbstorganisation herstellen lassen. Dieser Vorgang läuft in unserem Körper ständig ab und lässt sich auch für wissenschaftliche Zwecke einsetzen.

Komplexe Gebilde dank DNA

Das Team aus Physiker:innen konnte nun erstmals diese Technik einsetzen, um einen photonischen Kristall mit Diamantstruktur zu erzeugen. “Es ist seit Langem bekannt, dass das Diamantgitter theoretisch eine optimale Geometrie für photonische Kristalle aufweist. 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 von der LMU, Seniorautor der Studie.

Als Rohmaterial fungierte dabei ein ringförmiger DNA-Strang aus etwa 8.000 DNA-Basen sowie ein Satz aus 200 DNA-Klammern. Aufgabe der Klammern war es, die Faltung des längeren Strangs zu nahezu jeder beliebigen Form zu steuern. Posnjak vergleicht dies mit Origami-Meistern, die aus Papier komplexe Gebilde falten. “Wir können über die Klammern daher kontrollieren, wie sich die DNA-Origami-Objekte zum gewünschten Diamantgitter verbinden”, erklärt er.

Photonische Kristalle für sichtbares Licht

Die Forscher:innen wählten die Abfolge der Basen und Klammern so, dass die einzelnen DNA-Bausteine Tetraeder bildeten, die mit ihren benachbarten Einheiten in einer spezifischen Ausrichtung verbunden sind. Diese Tetraeder sind um 60 Grad gegeneinander gedreht und bilden so ein Gitter mit einer kubischen Grundstruktur, die dem Gitter eines Diamanten gleicht.

So entstehen zehn Mikrometer große DNA-Kristalle, die dann auf einem Substrat abgeschieden werden. Die Größe der Grundeinheiten de Kristalle lässt sich dabei nach Bedarf verändern. In ersten Tests erreichten die Forscher:innen Poren von rund 100 Nanometer Größe und eine Gitterperiodizitä von 170 Nanometern, also im Bereich des ultravioletten Lichts.

Im zweiten Schritt wird der DNA-Kristall dann mit einer atomdünnen Lage Titandioxid beschichtet. Dieses hat einen hohen Brechungsindex und bestimmt die photonischen Eigenschaften des Gitters. Im Experiment optimierte das Team den Kristall auf UV-Licht. “Nach der Beschichtung lässt unser photonischer Kristall UV-Licht mit einer Wellenlänge von etwa 300 Nanometern nicht durch, sondern reflektiert es”, schreiben die Forscher:innen.

Dieses “DNA-Origami” eröffnet eine Methode, um künstliche photonische Kristalle für sichtbares Licht und UV-Strahlung herzustellen, die individuell an den Einsatzzweck angepasst werden können. “Der vergleichsweise einfache Herstellungsprozess über die Selbstorganisation von DNA-Origami in wässriger Lösung bietet eine gute Möglichkeit, Strukturen der gewünschten Größe kostengünstig und in größeren Mengen zu produzieren”, erklärt Liedl.

Derartige Kristalle könnten etwa in effizienteren Solarzellen, innovativen Lichtleitern oder aber Materialien für die Quantenkommunikation eingesetzt werden.

via LMU