Materiali ottici progettati e ricavati da origami di DNA

Grazie a questa tecnica, che sfrutta il ripiegamento spontaneo di tratti di DNA, è stato possibile ottenere cilindri di dimensioni nanoscopiche dotati di siti di legame per nanoparticelle di oro. Variando le dimensioni, la disposizione e la composizione delle nanoparticelle o alterando altre caratteristiche delle strutture solubili in acqua, gli studiosi possono regolare la risposta del materiale sulle caratteristiche della luce che vi passa attraverso.

Nuove strutture tridimensionali con proprietà ottiche controllabili in modo pressoché assoluto dagli sperimentatori sono state realizzate da Tim Liedl e colleghi della Ludwig-Maximilians-Universität München, che firmano in proposito un articolo sulla rivista “Nature”.

Il metodo utilizzato si basa sull’origami a DNA, una tecnica che sfrutta il ripiegamento in precise forme (determinate dalla loro sequenza nucleotidica) della molecola che codifica l’informazione della vita. La molecola di DNA com’è noto è costituita da soli quattro tipi di basi nucleotidiche adenosina, citosina, guanina e timina, che si legano a due a due – l’adenosina con la timina e la citosina con la guanina – a formare i “pioli” della scala a chiocciola che costitiusce la struttura a doppia elica della molecola.

Con la tecnica degli origami molecolari, i ricercatori possono programmare la struttura fondamentale del loro materiale in modo da conferirgli le caratteristiche desiderate. Combinando frammenti di DNA che si accoppiano gli uni con gli altri in siti specifici, è stato possibile produrre un cilindro di 85 nanomentri di lunghezza contenenti siti di legame per particelle di oro di 10 nanometri. Le particelle di oro possono così essere disposte come perline su un filo che si avvolge a elica intorno al cilindro.

“La precisione e la resa della struttura prevista sono estremamente elevate, e il grado di controllo raggiunto è maggiore che in qualunque altro precedente tentativo di disporre nanoparticelle metalliche in una geometria definita”, ha spiegato Friedrich Simmel, che ha partecipato alla ricerca. Variando le dimensioni, la disposizione e la composizione delle nanoparticelle o alterando altre caratteristiche delle strutture solubili in acqua, gli studiosi possono infatti regolare l’impatto del materiale sulle caratteristiche della luce che vi passa attraverso.

Per esempio, disponendo le particelle di oro in eliche destrorse o sinistrorse, le proprietà della luce trasmessa si alterano in modo corrispondente. Si è riscontrato inoltre che l’intensità della risposta ottica era fortemente dipendente dalle dimensioni delle particelle, e la loro precisa natura chimica ha anche una significativa influenza su come interagisce sulla luce incidente. Quando le particelle di oro sono rivestite di argento, infine, i valori di risonanza ottica risultano spostati dalla porzione rossa a quella blu dello spettro elettromagnetico.

Interessanti le proprietà del materiale anche per quanto riguarda il dicroismo circolare, cioè la differente risposta del materiale quando viene investito da fasci di luce di definita lunghezza d’onda, che sono polarizzati circolarmente in sensi opposti: le misurazioni effettuate mostrano un ottimo accordo con i calcoli effettuati su base teorica. Per questo motivo, il modello sviluppato dai ricercatori di Monaco può essere utilizzato per progettare materiali in grado di modulare la luce in modi specifici.

“Prossimamente vorremmo verificare se sia possibile anche alterare l’indice di rifrazione dei nostri materiali”, ha concluso Liedl. “I materiali con un particolare indice di rifrazione potrebbero, per esempio, servire da base per sistemi ottici innovativi”.