Onder de microscoop lijkt het bijna een miniatuursteiger: hele dunne balken, grote holtes en een driedimensionale structuur die, samengedrukt, verrassende belastingen kan dragen. Om het te bouwen, zijn de onderzoekers uitgegaan van een materiaal dat we normaal gesproken associëren met iets heel anders, DNA, en gebruikten het om vorm te geven aan een rooster dat vervolgens werd bedekt met silica, het hoofdbestanddeel van glas. Het resultaat is een nanomateriaal dat, in tests gepubliceerd op Celrapporten Natuurwetenschappenvertoonde een buitengewone verhouding tussen gewicht en weerstand.
De vergelijking die onvermijdelijk de wereld rond ging, is die met staal. Volgens onderzoekers van de Universiteit van Connecticut, Columbia University en Brookhaven National Laboratory hebben de resulterende nanostructuren ongeveer vier keer de sterkte en ongeveer vijf keer de dichtheid van staal. Als je ergens vijf keer sterker en vier keer lichter leest, zijn de cijfers simpelweg door elkaar gehaald.
En ja, zelfs Iron Man is bij dit verhaal betrokken. Oleg Gang, een van de auteurs van het onderzoek, legde uit dat hij aan het pantser van de superheld had gedacht: licht genoeg om hem te laten vliegen en resistent genoeg om hem niet bij de eerste poging in een heel duur blikje te veranderen. Het pantser kan echter wachten. Het materiaal bestaat nog steeds op een schaal van enkele micrometers.
Omdat glas zich niet meer gedraagt als het glas dat we kennen
Het interessante deel begint met het ogenschijnlijk minst geschikte materiaal. Macroscopisch glas breekt gemakkelijk omdat scheuren, krassen en andere defecten de spanningen concentreren totdat ze breken. Door de grootte drastisch te verkleinen verandert er veel: silica-elementen van slechts een paar nanometer dik hebben veel minder kans op kritische defecten en kunnen de theoretische sterkte van het materiaal benaderen. Het probleem is in ieder geval het bouwen van iets complex met zulke kleine elementen.
Zo hebben onderzoekers structuren gecreëerd met behulp van DNA-origami die zichzelf assembleren volgens een geprogrammeerde geometrie. Een soort moleculaire steigers, met een precisie die normale driedimensionale printtechnieken moeilijk kunnen bereiken onder een paar tientallen nanometers. Op dit skelet werd een zeer dunne laag silica gegroeid. In het onderzoek uit 2023 hadden de verkregen structurele elementen diktes in de orde van 4-20 nanometer.
Geometrie doet veel van het werk. Het rooster bevat veel lege ruimte en dus weinig materie, terwijl de zeer dunne silicabundels hun hoge weerstand op nanometrische schaal benutten. Het is een van die gevallen waarin het verwijderen van materiaal, als je het op de juiste plaatsen verwijdert, de structuur veel interessanter kan maken.
Bovendien werden de structuren van de eerste studie vóór de mechanische tests onderworpen aan een warmtebehandeling. DNA speelde daarom vooral de rol van een programmeerbaar sjabloon om de silica-architectuur te verkrijgen, en niet als de component die verantwoordelijk was voor de uiteindelijke eigenschappen van het geteste rooster.
Vanaf het eerste experiment was DNA niet langer slechts een sjabloon
Het verhaal stopte echter niet bij het werk dat in 2023 werd gepubliceerd. In 2024 bouwde een andere groep achthoekige, langwerpige DNA-roosters bedekt met lagen silica zo dun als ongeveer 1,65 nanometer. In dat geval bleef het DNA binnen de structuren. Moleculaire simulaties hebben iets merkwaardigs aangetoond: de DNA-kern kan helpen het instorten van de kleine bundels te vertragen, hun instabiliteit te beperken en ervoor te zorgen dat de structuur meer energie kan absorberen voordat het faalt. Het onderzoek is gepubliceerd op Materie.
DNA kan dus meer doen dan de landmeter die de steiger ontwerpt en vervolgens vertrekt. In bepaalde configuraties kan het binnen blijven en bijdragen aan het mechanische gedrag van het materiaal.
In hetzelfde jaar breidde de Gang-groep het spel nog verder uit. In een studie over Wetenschappelijke vooruitgangzijn DNA-geprogrammeerde structuren gebruikt om driedimensionale architecturen te verkrijgen die metalen, metaaloxiden en halfgeleiders bevatten, waaronder koper, zink, aluminium, wolfraam, indium, tin en platina. DNA begint dus op een bouwplatform te lijken, dat in staat is om vast te stellen waar zeer verschillende materialen zich moeten bevinden met een precisie die moeilijk te bereiken is via conventionele productie.
Het probleem is nu om het groot te maken
Er is een vrij duidelijke industriële afstand tussen een rooster van enkele micrometers breed en een autodeur. Kosten, benodigde hoeveelheden DNA, assemblagetijden en integratie met normale productieprocessen blijven aanzienlijke obstakels. Gang zelf, die het eerste werk al presenteerde, waarschuwde dat er nog veel onderzoek nodig zou zijn voordat deze methode in een bruikbare technologie zou worden omgezet.
Er zijn echter wel enkele centimeters de goede kant op gemaakt. In 2025 verscheen de groep Natuurcommunicatie hoe je driedimensionale roosters kunt laten groeien die alleen op basis van DNA zijn geprogrammeerd in gewenste gebieden van siliciumwafels en oppervlakken bedekt met verschillende metaaloxiden. De structuren waren georganiseerd in patronen van tientallen micrometers breed over een totaaloppervlak van ongeveer 10 vierkante millimeter.
De onderzoekers slaagden er zelfs in om ze in vooraf bepaalde vormen te rangschikken en gouden nanodeeltjes en eiwitten op gedefinieerde punten in de structuur in te bedden. Hier verschuift de focus van het simpelweg demonstreren van een uitzonderlijk sterk materiaal naar de mogelijkheid om deze architecturen te integreren in optische, elektronische en sensorapparatuur.
Er hangt dus voorlopig geen superheldenpantser in de laboratoriumkasten. Het minder filmische deel is echter ook het meest wetenschappelijk interessant: DNA wordt een hulpmiddel voor bouwmaterialen, waardoor het ontwerpen van geometrieën mogelijk wordt op een schaal waarop cutters, printers en traditionele processen handen beginnen te krijgen die beslist te groot zijn.
