MagDNA: eine Plattform zur Übertragung kollektiver magnetischer Wechselwirkungen auf die Nanomechanik

• Antragsteller: Dr. Aidin Lak; Joseph Tavacoli Khalkhali, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545038923

Die Wechselwirkung zwischen Ansammlungen von magnetischen Nanopartikeln kann zu einem neu entstehenden und verstärkten Magnetismus führen. In der Natur nutzen Mikroorganismen dieses Phänomen durch die Biomineralisierung magnetischer Nanopartikel, die eine genaue Kontrolle über die Form, Größe und Ausrichtung der Nanopartikel innerhalb der Ketten ermöglicht. Das Ergebnis ist ein verstärktes magnetisches Moment, das Magnetotaxis ermöglicht. Im Bereich der vom Menschen hergestellten Materialien hat das Fehlen einer präzisen organisatorischen Kontrolle über magnetische Partikel auf der Nanoskala jedoch die Versuche behindert, dieses Phänomen zu reproduzieren, zu verstehen und effektiv anzuwenden. Um diese Herausforderung anzugehen, zielt diese Studie darauf ab, das Verständnis kollektiver magnetischer Wechselwirkungen zu verbessern, indem die bemerkenswerte Adressierbarkeit im Nanomaßstab, die DNA Origami bietet, genutzt wird. Durch die strategische Positionierung maßgeschneiderter magnetischer Nanowürfel mit einer Auflösung von einem einzigen Nanometer wird eine Vielzahl von Partikelmustern konstruiert. Durch die sorgfältige Charakterisierung des emergenten Magnetismus dieser Muster in Verbindung mit Simulationen wird ein tiefgreifendes Verständnis der zugrunde liegenden Physik, die die kollektiven magnetischen Wechselwirkungen steuert, erreicht werden. Aufbauend auf diesem neuen Verständnis werden wir funktionelle nanomechanische Geräte mit programmierbaren magnetischen Drehmomenten entwickeln, insbesondere nanoskalige Rotoren und Schwimmer. Ersterer wird als erster echter magnetischer DNA-Origami-Rotor einen bedeutenden Meilenstein darstellen, der für Anwendungen in Einzelmoleküldetektion und Drehmomentmessung bereit ist. Letzterer wird als vielseitige Plattform für das Verständnis der Schwimmdynamik im Nanomaßstab dienen und birgt ein großes Potenzial für Fortschritte im Bereich der Nanorobotik und der magnetischen Kraft- und Drehmomentmessung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Tim Liedl