3D-Druck 09.07.2025, 17:30 Uhr

Revolutionäre 3D-Materialien: DNA definiert Nanotechnologie neu

Forschende haben einen Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, komplexe Strukturen im Nanomaßstab zu bauen. Das soll schneller, effizienter und vielseitiger erfolgen als je zuvor. Möglich macht das der Einsatz von DNA.

Nanopartikelstruktur unter dem Elektronenmikroskop

Mithilfe einer elektronenmikroskopischen Aufnahme konnten die Forschenden den 3D-Nanopartikel präsentieren.

Foto: Oleg Gang

Als das Empire State Building in New York errichtet wurde, wuchs es Stockwerk für Stockwerk in die Höhe – jedes einzelne Element wurde sorgfältig zusammengesetzt, bis das Gebäude jahrzehntelang als höchstes der Welt galt. In Uptown Columbia stehen für Oleg Gang, Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University School of Engineering and Applied Science, und seinem Forschungsteam keine Wolkenkratzer, sondern winzige Geräte aus nanoskopischen Bausteinen im Mittelpunkt, die sich selbst organisieren. Das Ziel: die Entwicklung von 3D-Materialien, die auf DNA basieren und sich durch eine bisher nicht erreichte Komplexität und Präzision auszeichnen.

„Wir können jetzt komplexe 3D-Strukturen aus selbstorganisierten Nanokomponenten bauen, eine Art nanoskalige Version des Empire State Buildings“, erklärt Gang. Die Möglichkeit, 3D-Materialien im Nanomaßstab gezielt zu gestalten, eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen wie Lichtmanipulation, neuromorphes Computing, Katalyse oder biomolekulare Gerüste. In zwei aktuellen Publikationen stellen Gang und sein Team eine Methode vor, mit der gezielte 3D-Nanostrukturen durch Selbstorganisation entstehen. Ein eigens entwickelter Algorithmus macht das Design für andere Forschende nachvollziehbar –  alles auf Basis des elementarsten biologischen Bausteins: DNA.

3D-Material aus DNA: Neue Wege in die Materialentwicklung

Traditionelle Verfahren zur Herstellung winziger elektronischer Bauteile setzen auf sogenannte Top-down-Strategien. Ein Beispiel ist die Fotolithografie, bei der mit Licht und Schablonen Schaltkreise erzeugt werden. Diese Methoden stoßen bei komplexen, dreidimensionalen Strukturen an ihre Grenzen. Der 3D-Druck hingegen ist im Nanomaßstab noch nicht einsetzbar. Beide Ansätze sind zudem langsam, da sie jedes Element einzeln fertigen. Gang verfolgt einen anderen Weg: Inspiriert von biologischen Systemen nutzt er DNA-gesteuerte Selbstorganisation, um 3D-Materialien und Geräte von Grund auf entstehen zu lassen. Durch enge Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern konnte er seine Methode so weiterentwickeln, dass dabei winzige elektronische Komponenten entstanden.

Vor kurzem gelang es, einen Prototyp für Partner an der University of Minnesota zu liefern. Ziel war die Entwicklung von 3D-Lichtsensoren, die in Mikrochips integriert werden können. Die Sensoren entstanden, indem DNA-Gerüste direkt auf einem Chip gezüchtet und anschließend mit lichtempfindlichem Material überzogen wurden. Dies war jedoch erst der Anfang: In der neuesten Veröffentlichung präsentiert das Team eine inverse Designstrategie, die es erlaubt, gewünschte 3D-Strukturen aus DNA-Komponenten und Nanopartikeln gezielt zusammenzusetzen. Die Studie zeigt vier weitere Anwendungen ihres „DNA-Origami“-Ansatzes: von kristallartigen Strukturen über Materialien, wie sie in Solarzellen zu finden sind, bis hin zu spiralförmigen Kristallen und speziellen Reflexionsstrukturen. Mit Hilfe hochentwickelter Analyseverfahren wie Synchrotron-Röntgenstreuung und Elektronenmikroskopie konnten die Forschenden nachweisen, dass die gebildeten Strukturen exakt den Entwürfen entsprachen. Die Selbstorganisation der Komponenten erfolgte im Wasser, was schneller als herkömmliche Methoden und auch umweltfreundlicher ist. „Dies ist eine Plattform, die für viele Materialien mit vielen verschiedenen Eigenschaften geeignet ist: biologische, optische, elektrische, magnetische“, sagt Gang. Das Resultat hängt allein vom Design ab.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Forschungszentrum Jülich GmbH-Firmenlogo
Wissenschaftliche:r Koordinator:in der Graduiertenschule HITEC im Bereich Energie- und Klimaforschung (w/m/d) Forschungszentrum Jülich GmbH
Jülich Zum Job 
GEBHARDT Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Project System Engineer Electrical (m/w/d) GEBHARDT Fördertechnik GmbH
Sinsheim Zum Job 
GEBHARDT Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Project System Engineer Mechanical (m/w/d) GEBHARDT Fördertechnik GmbH
Sinsheim Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung (w/m/d) Umwelt und Landschaftsplanung Die Autobahn GmbH des Bundes
TenneT-Firmenlogo
Commissioning Coordinator Platform 2GW (all genders) TenneT
Batam (Indonesien) Zum Job 
ECB Gesellschaft zur Optimierung der Nutzung regenerativer Energien mbH & Co. KG-Firmenlogo
Techn. Systemplaner:in / Technische Gebäudeausrüstung (TGA) - Planer:in im Planungsteam Fernwärme (m/w/d) ECB Gesellschaft zur Optimierung der Nutzung regenerativer Energien mbH & Co. KG
Bad Endorf Zum Job 
Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten-Firmenlogo
Professur (w/m/d) Analog- und Digitalelektronik Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten
Kempten (Allgäu) Zum Job 
Dürkopp Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur / Konstrukteur (m/w/d) - Zielstellen und Sortiertechnik Dürkopp Fördertechnik GmbH
Bielefeld Zum Job 
PTV Transport Consult GmbH-Firmenlogo
Projektleiter*in Verkehrsplanung & Verkehrstechnik (m/w/d) PTV Transport Consult GmbH
Düsseldorf Zum Job 
VINCORION Advanced Systems GmbH-Firmenlogo
Senior Manager System Engineering Power Systems (all genders) VINCORION Advanced Systems GmbH
Altenstadt Zum Job 
Landesamt für Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein-Firmenlogo
Bauingenieurin / Bauingenieur (w/m/d) für den Bereich Straßenbau im Geschäftsbereich 3 "Erhaltung, Kompetenzzentrum Brücken" Landesamt für Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein
Kiel, Flensburg, Rendsburg, Itzehoe, Lübeck Zum Job 
RSE+ Architekten Ingenieure GmbH-Firmenlogo
Bauleiter Hochbau, Baumanagement - LPH 6-9, Industrie & Gewerbe (m/w/d) RSE+ Architekten Ingenieure GmbH
Stuttgart, Kassel, Göttingen Zum Job 
Wirtschaftsbetrieb Hagen AöR-Firmenlogo
Fachbereichsleitung Grün (m/w/d) Wirtschaftsbetrieb Hagen AöR
Heilbronner Versorgungs GmbH-Firmenlogo
Planungsingenieur in den Bereichen Gas und Wasser (m/w/d) Heilbronner Versorgungs GmbH
Heilbronn Zum Job 
Flughafen München GmbH-Firmenlogo
Leiter Elektrotechnik / Stromnetzprojekte (w/m/d) Flughafen München GmbH
Oberding Zum Job 
Intego GmbH-Firmenlogo
Servicetechniker / Field Service Engineer (m/w/d) - Einsatz in Kalifornien (USA) Intego GmbH
Erlangen Zum Job 
PohlCon GmbH-Firmenlogo
Anwendungsingenieur (m/w/d) PohlCon GmbH
Sumitomo Rubber Europe GmbH-Firmenlogo
Ingenieur FEA (m/w/d) Reifensimulation in Hanau Sumitomo Rubber Europe GmbH
Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen (BASt)-Firmenlogo
Bauingenieurin / Bauingenieur (m/w/d) (Master/Uni-Diplom) Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen (BASt)
Bergisch Gladbach Zum Job 
wpd infrastruktur GmbH-Firmenlogo
Erfahrener Projektleiter Bau (m/w/d) wpd infrastruktur GmbH

Designprinzipien für 3D-Material aus DNA

Die DNA eignet sich besonders, da ihre vier Bausteine nur in bestimmten Kombinationen gepaart werden können. So lässt sich die Faltung präzise steuern. Die Herausforderung bestand darin, die richtige Ausgangssequenz zu finden. Gang und sein Team lösen dieses Problem mit einem inversen Strukturdesign. „Wenn wir die große Struktur mit der Funktion kennen, die wir erstellen möchten, können wir diese in kleinere Komponenten zerlegen“, so Gang. Die Grundbausteine sind DNA-Stränge, die sich zu stabilen Oktaedern – Gang bezeichnet sie auch als Voxel – falten. Diese Voxel besitzen an den Ecken Verbindungsstücke und können durch DNA-Codierung zu wiederkehrenden 3D-Mustern zusammengesetzt werden, ähnlich wie Puzzleteile ein Bild ergeben. Die parallele Montage dieser Motive ermöglicht die Bildung komplexer, hierarchisch organisierter Strukturen.

Um die Effizienz zu steigern, haben die Forschenden einen Algorithmus entwickelt, der die minimale Anzahl an DNA-Puzzleteilen bestimmt, die für die gewünschte Struktur notwendig sind. „Man kann sich das wie das Komprimieren einer Datei vorstellen. Wir wollen die Informationsmenge für die DNA-Selbstorganisation minimieren, um eine maximale Effizienz zu erreichen“, erläutert Jason Kahn, Erstautor der Studie. Der Algorithmus namens „Mapping Of Structurally Encoded aSsembly“ (MOSES) funktioniert wie eine CAD-Software im Nanomaßstab. „Er sagt Ihnen, welche DNA-Voxel Sie verwenden müssen, um ein bestimmtes, willkürlich definiertes, hierarchisch geordnetes 3D-Gitter zu erstellen.“

Zukunftsperspektive: 3D-Material aus DNA als Plattform

Die entwickelten DNA-Voxel lassen sich mit verschiedenen Nano-Komponenten bestücken, um der endgültigen Struktur spezifische Eigenschaften zu verleihen. So wurden etwa Goldnanopartikel integriert, um besondere optische Effekte zu erzielen. Es ist jedoch ebenso möglich, anorganische oder biologische Nanobausteine in die DNA-Gerüste einzubauen. Nach der Montage werden die Strukturen mineralisiert, indem sie mit Siliziumdioxid beschichtet und erhitzt werden – dann zersetzt sich die DNA und es entsteht aus dem organischen Gerüst ein widerstandsfähiges, anorganisches Material.

Die Arbeit der Forschenden zielt darauf ab, die Prinzipien für den Aufbau noch komplexerer Strukturen zu erforschen. Ein langfristiges Ziel ist die Entwicklung eines 3D-Schaltkreises, der die komplexen Verbindungen des menschlichen Gehirns nachbildet. „Wir sind auf dem besten Weg, eine Bottom-up-Plattform für die 3D-Nanomanufaktur zu etablieren. Wir sehen dies als ‚3D-Druck der nächsten Generation‘ im Nanobereich, aber jetzt ermöglicht uns die Leistungsfähigkeit der DNA-basierten Selbstorganisation eine massiv parallele Fertigung“, fasst Gang zusammen.

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.