Skorajda kot čarovnija: z DNK origamiji do fotonskih kristalov

Struktura fotonskih kristalov omogoča prehajanje svetlobe določenih valovnih dolžin, medtem ko druge valovne dolžine odbija. Zato se lesketajo tudi metuljeva krila. Umetne fotonske kristale razvijajo različne raziskovalne skupine, saj imajo pestro paleto aplikacij, vendar pa je njihova izdelava precejšen izziv.

S tem izzivom se spopada tudi dr. Gregor Posnjak, podoktorski raziskovalec na Univerzi Ludwiga Maximilliana v Münchnu. Z uporabo nanotehnologije DNK je Posnjak s kolegi razvil nov pristop za proizvodnjo fotonskih kristalov. Njihovi rezultati so bili pred kratkim objavljeni v reviji Science. Za izdelavo fotonskih kristalov so uporabili DNK origami za oblikovanje in sintetiziranje gradnikov, ki se nato sami sestavijo v specifično mrežno strukturo.

Kaj so fotonski kristali in za kaj so uporabni?

Fotonski kristali so urejene strukture, v katerih se lomni količnik za svetlobo spreminja na zelo kratkih razdaljah, primerljivih z valovno dolžino svetlobe. Ta urejenost poskrbi, da se svetloba z različnimi valovnimi dolžinami odbija konstruktivno ali destruktivno, zato svetlobni delci oziroma fotoni z določenimi energijami ne morejo obstajati v fotonskem kristalu. Tem energijam rečemo prepovedani pas in zaradi te lastnosti so fotonski kristali svetlobni analogi električnim polprevodnikom. Ker valovanje znotraj prepovedanega pasu energij v fotonskem kristalu ne more obstajati, to pomeni, da se svetloba s temi valovnimi dolžinami popolnoma odbija od površine kristala. Fotonski kristali tako niso obarvani zaradi barvil, ki bi absorbirala svetlobo, temveč zaradi njihove mikroskopske strukture, ki določa, katere valovne dolžine svetlobe se bodo odbijale od njih.

Fotonski kristali so lahko uporabni, kjerkoli bi želeli nadzorovati potovanje ali pa emisijo in absorpcijo svetlobe. Lahko jih uporabljajo za uravnavanje termičnega sevanja predmetov in s tem njihovega segrevanja ali ohlajanja. V sončnih celicah bi lahko poskrbeli za temeljitejšo absorpcijo svetlobe in s tem za njihovo večjo učinkovitost. Zelo zanimiva je njihova uporaba v optičnih vezjih, ki bi lahko delovala kot fotonski računalniki, v katerih bi vlogo elektronov prevzeli fotoni. Takšni računalniki bi lahko bili veliko bolj učinkoviti in zmogljivi kakor klasični.

Trenutno so najširše v uporabi fotonsko-kristalna optična vlakna. En tip teh ima votlo jedro in je zato uporaben za vodenje zelo močnih laserskih pulzov, ki bi poškodovali druge vrste optičnih vlaken. Druga vrsta fotonsko-kristalnih optičnih vlaken pa ima zaradi svoje strukture nelinearne optične lastnosti, ki so uporabne za generacijo širokospektralne laserske svetlobe.

Optično vezje, ki raste kot živo bitje

Ali fotonske kristale res gledamo tudi v metuljevih krilih in mavričnih opalih?

Glavna značilnost fotonskih kristalov je, da prepovedani pas energij obstaja za fotone, ki potujejo v katerikoli smeri v snovi. Poleg prave periodičnosti kristala sta za to odločilna še tip oziroma simetrija strukture ter visok kontrast lomnega količnika med snovjo, iz katere je fotonski kristal, in na primer zraka, ki zapolnjuje prazne prostore v kristalni strukturi. Fotonski kristali, ki jih najdemo v naravi, ponavadi nimajo prave simetrije in ne dovolj visokega lomnega količnika, da bi prepovedani pas energij obstajal za vse smeri potovanja fotonov. Tako da ne gre za čisto prave fotonske kristale v strogem pomenu besede. Naravnim fotonskim kristalom se zato barva odbite svetlobe spreminja glede na njihovo orientacijo, kar vodi do prelivajočih se barv – to je še posebej izrazito, recimo, pri opalih in nekaterih vrstah metuljev.

Kaj so glavni izzivi pri izdelavi fotonskih kristalov in kakšne so metode njihove izdelave?

Glavni izziv je izdelava same strukture. V fotonskih kristalih, v katerih prepovedani pas energij obstaja za vse smeri potovanja svetlobe, mora biti njihova struktura periodična v treh dimenzijah, torej morajo biti urejeni kot kristali, njihova periodičnost oziroma značilna dolžina pa mora biti primerljiva z valovno dolžino svetlobe.

Kako zahtevna je izdelava takšnih materialov za vidno svetlobo, priča dejstvo, da so bili fotonski kristali teoretično napovedani pred več kot 35 leti, a do danes še niso bili realizirani.

Za elektromagnetna valovanja z daljšimi valovnimi dolžinami, kot so na primer mikrovalovi, so te dolžine lahko nekaj milimetrov ali centimetrov, kar pomeni, da je fotonske kristale za takšno valovanje dokaj enostavno izdelati z mehanskim vrtanjem v primeren material. Za valovanja s krajšimi valovnimi dolžinami pa je izdelava veliko zahtevnejša. Z lasersko litografijo se na primer lahko izdelujejo podrobnosti, velike približno stotinko debeline človeškega lasu, kar je dovolj za izdelavo fotonskih kristalov za infrardečo svetlobo. Za še krajše valove dolžine pa do zdaj ni bilo na voljo tehnike, ki bi imela dovolj dobro ločljivost v vseh treh dimenzijah.

Kristali, narejeni iz DNK origamijev (kristali so umetno obarvani). FOTO: Liedl Lab  

Kako ste se izdelave torej lotili v vaši skupini?

V našem primeru smo fotonski kristal želeli izdelati v prvem koraku s samoorganizacijo DNK v primerne gradnike in nato s kristalizacijo teh gradnikov v urejeno tridimenzionalno strukturo.

Vedeli smo, da je ena izmed najugodnejših struktur za fotonske kristale diamantna kristalna mreža, v kateri je vsak gradnik povezan s štirimi sosedi, tako kot ogljikovi atomi v pravih diamantih. Zato smo z DNK origamijem izdelali gradnike, ki se nadzorovano vežejo s štirimi sosedi, a so približno 500-krat večji od ogljikovih atomov, da bi bile razdalje v mreži primerljive z valovno dolžino UV-svetlobe.

Prvi korak je bil razmeroma enostaven. Nato pa smo morali vložiti veliko truda v to, da so se ti gradniki res razvrstili v diamantno kristalno mrežo. Mikroskopski delci se namreč ponavadi urejajo v tesno zložene sklade, kakršna je na primer piramida pomaranč na oddelku za zelenjavo v trgovini. V takšnih piramidah se vsaka pomaranča dotika 12 sosednjih pomaranč, zato je struktura mehansko stabilna in se ne podre sama od sebe. A na žalost nima prave simetrije, ki bi vodila do prepovedanega pasu energij za fotone.

V diamantni mreži, ki ima pravo simetrijo za fotonske kristale, bi se vsaka pomaranča dotikala samo štirih sosedov, kar pomeni, da bi bilo v strukturi veliko praznega prostora, zaradi česar bi se diamantna skladovnica pomaranč lahko hitro sesedla sama vase. Mehansko bi bila stabilna samo, če bi pomaranče zlepili med seboj, tako kot so diamanti stabilni, ker so vezi med ogljikovimi atomi dovolj močne, da jih držijo v pravilni ureditvi. Za uspešno rast naših DNK-kristalov smo morali zagotoviti, da se naši gradniki DNK med seboj vežejo na točno določen način ter da so vezi med njimi dovolj močne za stabilno diamantno strukturo, a hkrati ne premočne, ker bi pretoge ovirale urejanje med kristalizacijo.

Kakšne so prednosti izdelave fotonskih kristalov s pomočjo DNK origamijev?

Glavna prednost DNK origamija je, da lahko z njim izdelamo skorajda kakršnokoli obliko na velikostni skali nekaj deset nanometrov. To nam je omogočilo, da smo pripravili idealne gradnike za diamantno mrežo. Druga lastnost, ki nam je omogočila izdelavo kristalov, pa je, da lahko zelo natančno nadzorujemo, kje in kaj se bo vezalo na naše gradnike DNK origami. S tem smo dosegli, da so se na točno določen način vezali drug z drugim in se uredili v kristalno mrežo.

DNK origamije lahko programirate, nato pa se sami oblikujejo v želeno strukturo. Sliši se skorajda kot čarovnija.

Res je skoraj čarovnija. Na hitro najraje rečem, da so DNK origamiji zelo majhne lego kocke, ki jih lahko sprogramiraš, kako naj se sestavijo same od sebe.

Bolj podrobno pa gre za to, da se nukleotidi v molekulah DNK popolnoma predvidljivo vežejo med seboj – adenin le s timinom in citozin le z gvaninom. Iz tega sledi, da če poznamo zaporedje nukleotidov v neki sekvenci DNK, potem točno vemo, kakšno mora biti zaporedje nukleotidov, ki se bo vezalo na to sekvenco – zaporedji sta si komplementarni. Pri DNK origamiju začnemo z verigo DNK, dolgo okrog 8000 nukleotidov, ki bo tvorila ogrodje naše strukture.

Nato verigi dodajamo okrog 50 nukleotidov dolge molekule DNK, ki so komplementarne različnim delom ogrodja in se predvidljivo vežejo nanj ter ga zgibajo v želeno obliko, ravno tako kot mojstri origamija prepogibajo liste papirja v skoraj poljubne objekte. Predstavljate si dolgo vrv, ki bi za vsak položaj vzdolž svoje dolžine imela edinstven naslov, na podlagi katerega bi se nanjo vezale in jo prepogibale plastične vezice. In vse to se dogaja samo od sebe na podlagi zaporedja DNK ter na zelo majhni skali.

DNK origami je zaradi svoje naslovljivosti in programabilnosti, ki omogočata natančen nadzor nad snovjo na skali nekaj nanometrov, zelo močno in edinstveno nanotehnološko orodje. Zaradi tega se tudi znanstvenikom, ki prvič slišijo zanj, pogosto zdi kot čarovnija. Sami eksperimenti pa so precej preprosti – če smo strukturo DNK origami pravilno načrtovali, moramo le naročiti kratke vezice DNK iz podjetja, ki se ukvarja s sintezo zaporedij DNK, jih pomešati skupaj z dolgim ogrodjem DNK in malo soli, vse skupaj segreti na približno 70 stopinj in počasi ohladiti. Nato se vsa čarovnija zgodi sama od sebe med ohlajanjem.

Naj se vrnem k vaši raziskavi. V sporočilu za javnost ste pojasnili, da ta mreža DNK origamija nato služi kot ogrodje za titanov dioksid. S to plastjo nadzorujete valovno dolžino odbite svetlobe, s čimer ste dosegli, da kristal ne prepušča ultravijoličnega (UV) valovanja z valovno dolžino približno 300 nanometrov. Kakšen fotonski kristal ste torej dobili na koncu raziskave?

Fotonski kristal, ki smo ga izdelali, je pomemben predvsem kot demonstracija, da lahko z našo metodo res izdelujemo fotonske kristale, hkrati pa smo se naučili, kako deluje urejanje gradnikov DNK v diamantno mrežo.

UV-območje je za aplikacije manj zanimivo, ker velika večina materialov UV-svetlobo močno absorbira, kar omejuje njihovo rabo. To, da naš kristal deluje na UV-območju, je posledica dolžine molekule DNK, ki smo jo uporabili za ogrodje naše strukture, saj bi za fotonske kristale za vidno svetlobo potrebovali približno dvakrat daljše DNK-ogrodje strukture.

Fotonski kristali za vidno svetlobo bi imeli veliko različnih potencialnih uporab in zato razvijamo večje gradnike DNK, o katerih na podlagi dosedanjega dela že precej dobro vemo, kako jih bomo lahko uredili v diamantno mrežo, ki jo potrebujemo za fotonske kristale.

Ima uporaba nanotehnologije DNK še kakšne druge aplikacije – da bi, denimo, lahko izdelovali še kaj drugega, ne samo fotonskih kristalov?

DNK origami je zaradi svojih prednosti zelo močno orodje, ki so ga med drugim uporabili že za urejanje zlatih nanodelcev v plazmonske strukture, za napredne superresolucijske mikroskopske metode, zaznavanje posameznih molekul, dostavo in nadzorovano sproščanje medicinskih učinkovin, za izdelavo umetnih protiteles, ki nevtralizirajo viruse, ter za električne motorje na nanoskali. V zagonskem podjetju, ki je izšlo iz našega laboratorija v Münchnu, se, denimo, ukvarjajo z razvojem občutljivejših hitrih testov s stranskim tokom, s katerimi smo se vsi dodobra seznanili med pandemijo. Takšni občutljivejši testi bodo omogočili hitrejšo diagnozo kapi in zaznavanje prisotnosti mamil.

V znanosti traja precej dolgo, preden dobiš stalno delovno mesto, do takrat si odvisen od nekajletnih projektov, v pogovoru spominja Gregor Posnjak. FOTO: Thorsten Naeser  

Pred odhodom v Nemčijo ste delali na Institutu Jožef Stefan, zdaj ste raziskovalec na Univerzi Ludwiga Maximilliana (LMU). Kakšno raziskovalno okolje je tam in ali ostajate v Nemčiji?

Raziskovalno okolje v Münchnu je odlično. Tu so dve veliki univerzi (poleg LMU še Tehniška univerza v Münchnu) z zelo močnimi oddelki za naravoslovje in še cela vrsta raziskovalnih inštitutov. Samo LMU je imela doslej 43 Nobelovih nagrajencev, ki so ali študirali, ali raziskovali, ali poučevali na LMU. Zelo se spodbuja sodelovanje med različnimi skupinami, med drugim so skupine, ki se ukvarjajo z nanotehnologijo, povezane v Centru za nanoznanost (CeNS), ki organizira razne dogodke in delavnice ter spodbuja doktorske in podoktorske raziskovalce z manjšimi projekti, da lahko neodvisno uresničujejo svoje raziskovalne ideje. Tu je ogromno odličnih raziskovalnih skupin, tako da lahko enostavno najdeš prave ljudi za sodelovanje v različnih projektih.

Sploh na področju DNK origamija spada München med vodilna središča, tukaj je kar šest velikih raziskovalnih skupin, ki se ukvarjajo vsaka s svojo uporabo DNK origamija – od fotonike in naprednih mikroskopskih tehnik do nanorobotike in medicine. Ena od velikih prednosti Münchna je tudi veliko število študentov, sem pridejo mladi iz vse Nemčije pa tudi iz tujine, tako da je razmeroma enostavno v ekipo pridobiti magistrske in doktorske študente. V primerjavi s Slovenijo je zanimivo to, da se v Nemčiji kar precej študentov odloči za doktorat, tudi če nimajo namena ostati v znanosti, ker je to pozneje pri iskanju službe v zasebnem sektorju njihova dodana vrednost. Na LMU bom verjetno ostal še nekaj časa. V znanosti traja precej dolgo, preden dobiš stalno delovno mesto, do takrat si odvisen od nekajletnih projektov. Zdaj je moj glavni cilj pridobiti financiranje za ustanovitev lastnega laboratorija, tako da se prijavljam na različne razpise. Vsako od teh financiranj ima svoja pravila, nekatera lahko uporabiš samo v Sloveniji ali samo v Nemčiji, druga pa so prenosljiva po Evropi, tako da bo financiranje najverjetneje narekovalo, kaj bo naslednja postaja.