Científicos han utilizado las propiedades de autoensamblaje del ADN para diseñar intrincadas superredes de moiré a escala nanométrica: estructuras que se retuercen y se superponen como nunca antes. Con ingeniosos «planos» moleculares, han creado redes personalizables con patrones como panales y cuadrados, todo con una precisión extraordinaria. Estas nuevas arquitecturas son más que un simple arte científico: abren las puertas a la revolución de cómo controlamos la luz, el sonido, los electrones e incluso el espín en materiales de nueva generación.
Investigadores están creando nuevos materiales de moiré a escala nanométrica utilizando nanotecnología avanzada del ADN: las superredes de moiré del ADN se forman cuando dos redes periódicas de ADN se superponen con un ligero giro rotacional o desplazamiento posicional. Esto crea un nuevo patrón de interferencia más grande con propiedades físicas completamente diferentes. Un nuevo enfoque desarrollado por investigadores de la Universidad de Stuttgart y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido no solo facilita la compleja construcción de estas superredes, sino que también abre posibilidades de diseño completamente nuevas a escala nanométrica. El estudio se ha publicado en la revista Nature Nanotechnology.
Las superredes de moiré se han convertido en un elemento central de la investigación moderna en materia condensada y fotónica. Sin embargo, la creación de estas estructuras suele implicar pasos de fabricación delicados y laboriosos, que incluyen la alineación precisa y la transferencia de capas prefabricadas en condiciones muy controladas. «Nuestro enfoque supera las limitaciones tradicionales de la creación de superredes de moiré», afirma la profesora Laura Na Liu, directora del Segundo Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart.
Nuevo paradigma para la construcción de superredes de moiré
«A diferencia de los métodos convencionales que se basan en el apilamiento mecánico y la torsión de materiales bidimensionales, nuestra plataforma aprovecha un proceso de ensamblaje ascendente», explica Laura Na Liu. El proceso de ensamblaje se refiere a la unión de cadenas individuales de ADN para formar estructuras más grandes y ordenadas. Se basa en la autoorganización: las cadenas de ADN se unen sin intervención externa, únicamente mediante interacciones moleculares. El equipo de investigación de Stuttgart aprovecha esta característica especial. «Codificamos los parámetros geométricos de la superred, como el ángulo de rotación, el espaciado entre subredes y la simetría reticular, directamente en el diseño molecular de la estructura inicial, conocida como semilla de nucleación. A continuación, permitimos que toda la arquitectura se autoensamble con precisión nanométrica». La semilla actúa como un plano estructural, dirigiendo el crecimiento jerárquico de las redes de ADN 2D en bicapas o tricapas con una torsión precisa, todo ello logrado en un único paso de ensamblaje en fase de solución.
Explorando territorio inexplorado: Estructuras de Moiré a escala nanométrica intermedia
Si bien las superredes de moiré se han explorado ampliamente a escala atómica (angstrom) y fotónica (submicrónica), el régimen nanométrico intermedio, donde convergen la programabilidad molecular y la funcionalidad del material, ha permanecido en gran medida inaccesible. Los investigadores de Stuttgart han cerrado esta brecha con su estudio actual. El equipo combina dos potentes nanotécnicas de ADN: el origami de ADN y el ensamblaje de teselas monocatenarias (SST).
Utilizando esta estrategia híbrida, los investigadores construyeron superredes a escala micrométrica con dimensiones de celda unitaria de hasta 2,2 nanómetros, con ángulos de torsión ajustables y diversas simetrías reticulares, como la cuadrada, la de kagome y la de panal. También demostraron superredes de muaré de gradiente, en las que el ángulo de torsión y, por lo tanto, la periodicidad del muaré, varían continuamente a lo largo de la estructura. «Estas superredes revelan patrones de muaré bien definidos bajo microscopía electrónica de transmisión, con ángulos de torsión observados que coinciden estrechamente con los codificados en la semilla del origami de ADN», señala el coautor, el profesor Peter A. van Aken, del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido.
El estudio también introduce un nuevo proceso de crecimiento para las superredes de muaré. El proceso se inicia mediante hebras de captura definidas espacialmente en la semilla de ADN, que actúan como «ganchos» moleculares para unir con precisión las superredes de moiré y dirigir su alineación intercapa. Esto permite la formación controlada de bicapas o tricapas retorcidas con subredes de moiré alineadas con precisión.
Amplias implicaciones en ingeniería molecular, nanofotónica, espintrónica y ciencia de materiales.
Su alta resolución espacial, direccionabilidad precisa y simetría programable otorgan a las nuevas superredes de moiré un gran potencial para diversas aplicaciones en investigación y tecnología. Por ejemplo, son andamiajes ideales para componentes a nanoescala, como moléculas fluorescentes, nanopartículas metálicas o semiconductores en arquitecturas 2D y 3D personalizadas.
Al transformarse químicamente en estructuras rígidas, estas redes podrían reutilizarse como cristales fonónicos o metamateriales mecánicos con respuestas vibracionales ajustables. Su diseño de gradiente espacial también abre caminos para la óptica de transformación y los dispositivos fotónicos de índice de gradiente, donde la periodicidad de moiré podría dirigir la luz o el sonido a lo largo de trayectorias controladas.
Una aplicación particularmente prometedora reside en el transporte de electrones selectivo de espín. Se ha demostrado que el ADN actúa como un filtro de espín, y estas superredes bien ordenadas con simetrías de moiré definidas podrían servir como plataforma para explorar los fenómenos topológicos de transporte de espín en un entorno altamente programable.
«No se trata de imitar materiales cuánticos», afirma Laura Na Liu. «Se trata de ampliar el espacio de diseño y posibilitar la construcción de nuevos tipos de materia estructurada desde cero, con control geométrico integrado directamente en las moléculas».
20 de julio de 2025, Universidad de Stuttgart
Referencias:
- Xinxin Jing, Nicolas Kroneberg, Andreas Peil, Benjamin Renz, Longjiang Ding, Tobias Heil, Katharina Hipp, Peter A. van Aken, Hao Yan, Na Liu. DNA moiré superlattices. Nature Nanotechnology, 2025; DOI: 1038/s41565-025-01976-3
- Universitaet Stuttgart. «Scientists twist DNA into self-building nanostructures that could transform technology». ScienceDaily, 20 July 2025. <www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250720034013.htm>.