DNA-origami is doorbraak optische metamaterialen
Onzichtbaarheidsmantels, dunne lenzen die zo krachtig zijn als een complete microscoop en veel betere zonnecellen. Het zijn maar enkele voorbeelden van de toepassingen van optische metamaterialen. De fabricage is helaas lastig en duur, maar deze nieuwe ontdekking kan daar wel eens verandering in brengen.
Metamateriaal vergt lastige bewerkingen
Het eerste metamateriaal ooit werd niet ontworpen voor licht maar voor radiogolven die een veel grotere golflengte hebben, namelijk van centimeters. Dit materiaal werd gemaakt van C -vormige stukken metaal en draad en in de vorm van een honingraat zo groot als een tafel in elkaar gesoldeerd. Weliswaar was dit veel werk, maar het kan door mensen gedaan worden. Dat komt omdat de golflengte van radiogolven zo groot is. Ook onderdelen van enkele millimeters zijn al voldoende klein om als metamateriaal te kunnen dienen. Licht is een veel grotere uitdaging. Metamaterialen die licht kunnen manipuleren, moeten structuurtjes hebben die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht, 400 tot 700 nanometer. Dit is kleiner dan de meeste bacteriën. Voor mensen is dit onmogelijk en de nanotechnologie is ook nog niet zover dat we dit met apparaten makkelijk kunnen realiseren, anders dan op een plat vlak. Onze beste lithografische technieken – die worden gebruikt voor de nieuwste chips en processors, komen uit rond de 20 nanometer.
Lichtgolven vervormen vergt structuurtjes van enkele atomen breed
Om metamaterialen voor zichtbaar licht te ontwikkelen, moeten zelfs nog iets kleinere structuren worden ontwikkeld. We praten dan over structuren van enkele tientallen atomen breed (een atoom heeft, afhankelijk van het type, ongeveer 0,06 tot 0,6 nanometer doorsnede). Dit is veel lastiger te realiseren, vooral als je geen oppervlak, maar een driedimensionaal metamateriaal wilt hebben. Op zich zijn de componenten makkelijk te maken via allerlei welbekende bulkprocessen uit de chemische industrie. Het probleem is ze in elkaar te passen. We hebben geen robothanden op nanoschaal. Weliswaar kunnen we atomen verslepen, bijvoorbeeld met de punt van een scanning tunneling electronenmicroscoop, maar dat is een uiterst lastig en tijdrovend karweitje. Geen wonder dus dat Harry Potter zo zuinig is op zijn onzichtbaarheidsmantel, zullen fans van de bekende boekenserie van schrijfster J.K. Rowling zeggen.
DNA-structuur zet zichzelf in elkaar
Tot nu toe. Anton Kuzyk van de technische universiteit van München en enkele collega’s hebben een manier gevonden om dit probleem te kraken. De techniek heet DNA origami en komt er op neer dat gouddeeltjes met korte stukjes enkelvoudig DNA worden bedekt. Tegelijkertijd worden de hierbij passende stukjes DNA in een grotere DNA-structuur gebouwd. Als de DNA-puzzelstukjes in elkaar vallen, worden de gouddeeltjes meegesleept en ontstaat een atomair bouwwerk dat, bij zorgvuldig ontwerp, bijna iedere gewenste vorm kan hebben.
Kuzyk en zijn collega;’s hebben dit proces gebruikt om negen nanodeeltjes goud van slechts tien nanometer doorsnede aan stukken DNA te binden. Hiermee vormden ze de treden van een wenteltrap op nanoschaal. Nog meer goed nieuws is dat het proces zelforganiserend is. In een oplossing kunnen ze werkelijk miljoenen van deze nanowenteltrappen fabriceren. Het proces is ook verrassend nauwkeurig: ongeveer tachtig procent van de trappen heeft de perfecte vorm.
Het gevolg is dat er een vloeistof ontstaat met de optische eigenschappen van de spiraalvormige nanodeeltjes. Lichtdeeltjes, fotonen, bestaan uit een elektrisch veld dat een magnetisch veld, loodrecht op het elektrische veld, opwekt, dat weer een nieuw elektrisch veld, tegengesteld aan het eerste, opwekt en zo voort. Fotonen lijken daardoor om hun as te draaien. Licht dat net zo draait als de wenteltrap (gepolariseerd licht), wordt geabsorbeerd. Het wordt namelijk omgezet in plasmons, oppervlaktetrillingen in de gouddeeltjes. Licht dat juist tegen de wenteltrap in draait, ontspringt de dans. Dit effect heer circulair dichroïsme en dit is precies wat de onderzoekers waar hebben genomen. Ze kunnen het effect manipuleren door het DNA in de tegenovergestelde richting een spiraal te laten vormen en ook door een laagje zilver op de goud-nanodeeltjes aan te brengen. Dit verandert de frequentie van licht waar de spiralen gevoelig voor zijn. Dit is de eerste keer dat het iemand gelukt is op grote schaal een optisch metamateriaal te fabriceren.
De vloeistoffen kunnen zelfs in vaste stoffen worden omgezet na gebruik van (in de chemische industrie welbekende) kristallisatietechnieken. Dit is niet makkelijk, maar de eerste stappen zijn gezet. Hier zullen we nog meer van horen.
Bouwplaats waarop huizen zichzelf in elkaar zetten
Op die manier zouden materialen met een negatieve brekingsindex gemaakt kunnen worden. Als je een rietje in een vloeistof met een negatieve brekingsindex steekt, lijkt het op een vreemde manier afgesneden te zijn (rechter glas in de afbeelding). Hiermee kan je weer Potter-achtige onzichtbaarheidmantels of microscopen die in een portemonnee passen maken. Hiermee houdt het belang van de ontdekking niet op. In feite biedt deze techniek een zichzelf in elkaar zettende nanostructuur. Stel je voor: een bouwplaats waarop je elk onderdeel van een huis een bepaalde code meegeeft, waarna het zichzelf in elkaar zet. Dat is wat er hier op nanoschaal gebeurt. Hiermee zouden we het nanobouwprobleem radicaal opgelost hebben.
